problemas-de-geometria-CC-BY-NC-ND

PROBLEMAS
DE
GEOMETRÍA
Ubaldo Usunáriz Balanzategui
Ignacio Usunáriz Sala
1
2
ÍNDICE
PRÓLOGO
5
GEOMETRÍA DEL PLANO
Sección A Lugares geométricos (67 problemas)
7
Sección B
Rectas, ángulos, triángulos (103 problemas)
37
Sección C
Construcción de triángulos (60 problemas)
79
Sección D Cuadriláteros. Otros polígonos (68 problemas)
101
Sección E
Circunferencia (101 problemas)
129
Sección F
Cónicas (101 problemas)
171
Sección G Áreas (23 problemas)
201
GEOMETRÍA DEL ESPACIO
Sección H Lugares geométricos (24 problemas)
213
Sección I
Planos. Diedros (41 problemas)
221
Sección J
Cuerpos (36 problemas)
233
Sección K Áreas y volúmenes (77 problemas)
249
Sección L
283
Geometría descriptiva (43 problemas)
ANEXO
Anexo
Problemas sin resolver (25 problemas)
3
327
4
PRÓLOGO
Este libro, Problemas de Geometría, junto con otros dos, Problemas de Matemáticas y
Problemas de Geometría Analítica y Diferencial, están dedicados a la presentación y resolución
de problemas que se planteaban hace unas décadas, en la preparación para ingreso en las
carreras de ingeniería técnica superior.
Incluye 744 problemas que se presentan en dos grandes grupos:
· Geometría del plano, con 523 problemas referentes a lugares geométricos, rectas, ángulos,
triángulos y su construcción, cuadriláteros y otros polígonos, circunferencia, cónicas y áreas.
· Geometría del espacio, con 221 problemas referentes a lugares geométricos, planos, diedros,
cuerpos, áreas, volúmenes y geometría descriptiva.
Además se incluyen en el anexo, 25 problemas para su resolución por los lectores.
Esta segunda edición de Problemas de Geometría tiene por objeto su puesta a disposición de la
Escuela de Ingenieros de Minas de la Universidad Politécnica de Madrid.
Madrid, verano 2012
5
6
Problemas de Geometría del Plano
Sección A - LUGARES GEOMÉTRICOS
A 1- Enunciar los lugares geométricos elementales.
Solución: La línea recta es el lugar geométrico de los puntos que siguen una misma dirección.
La circunferencia es el lugar geométrico de los puntos que equidistan de un punto interior
llamado centro.
La mediatriz es el lugar geométrico de los puntos que equidistan de dos puntos fijos.
El lugar geométrico de los puntos cuyas distancias a dos rectas fijas están en una relación dada,
es un sistema de dos rectas que pasan por el punto de intersección de las rectas dadas; en el
caso en que dicha relación sea la unidad, el lugar geométrico es el conjunto de las dos
bisectrices de los ángulos formados por las dos rectas dadas.
El lugar geométrico de los puntos cuyas distancias a dos puntos fijos están en una relación
dada, es una circunferencia cuyo centro está sobre la recta definida por dichos puntos y que la
corta en dos puntos cuya relación de distancias a los puntos dados es la dada.
El lugar geométrico de los puntos para los que la diferencia de los cuadrados de sus distancias a
dos puntos fijos dados es constante, es una recta perpendicular a la recta que une dichos dos
puntos.
El lugar geométrico de los puntos para los que la suma de los cuadrados de sus distancias a dos
puntos fijos dados es constante, es una circunferencia de centro el punto medio de dichos dos
puntos.
El lugar geométrico de los puntos desde los que se ve un segmento dado bajo un ángulo
constante, se compone de dos arcos de circunferencia (arcos capaces), que pasan por los
extremos de dicho segmento.
A 2- Hallar el lugar geométrico de los centros de los paralelogramos cuya base es fija en magnitud
y posición, y cuya altura es constante en magnitud.
Solución:
C
O
m
A
D
H
E
B
n
La base AB es fija y la altura CH  h es constante. El punto O, centro del paralelogramo, está
en la intersección de las dos diagonales, esto es, en su punto medio. Por tanto la distancia OE
será siempre igual a h . El lugar pedido está formado por dos rectas m y n, paralelas a AB, a la
2
distancia h de esta, situadas a uno y otro lado de AB.
2
7
A 3- Hallar el lugar geométrico de los centros de las circunferencias de radio dado, que dividen a
una circunferencia dada en dos partes iguales.
Solución:
A
O
O’
B
′
Sea la circunferencia de centro O la que divide a la de centro O en dos partes iguales, por lo
que, siendo A y B los puntos de intersección de ambas circunferencias, la recta AB es un
diámetro de O. Siendo OA y O ′ A constantes, también lo será el cateto OO ′ . Por tanto el lugar
de O ′ es una circunferencia de centro O y radio R 2 − r 2 , donde R  O ′ A y r  OA.
A 4- Hallar el lugar geométrico de los centros de los círculos inscritos en los triángulos de base fija
AB en magnitud y posición, y cuyo ángulo C es constante en magnitud.
Solución:
C
O
B
A
AO, BO y CO son las bisectrices de los ángulos A, B y C. El ángulo AOB es igual a
 − A − B   − 1 A  B   − 1  − C  1   C , que es constante. Por tanto
2
2
2
2
2
el lugar geométrico de O está formado por los arcos capaces de 1   C trazados sobre AB.
2
A 5- Hallar el lugar geométrico de los puntos medios de las bases de los trapecios que tienen por
diagonales las secantes trazadas por el punto de contacto de dos círculos tangentes
exteriormente, cuando es constante el ángulo formado por estas dos secantes.
Solución:
B’
D
B
D’
O1
T
C
O2
A’
C’
A
Sean O 1 y O 2 los centros de los círculos dados, de radios O 1 C y O 2 A, respectivamente. Las
secantes ATD y BTC subtienden
cuerdas DC y AB constantes en magnitud (O 1 y O 2 son los

arcos capaces de ángulo T sobre ellas), por lo que son tangentes en sus puntos medios, a
circunferencias concéntricas con las dadas. Si se trazan tangentes paralelas a una dirección
dada, se obtienen dos trapecios ABCD y A ′ B ′ C ′ D ′ , cuyas bases AB, A ′ B ′ y CD, C ′ D ′ son
tangentes en sus puntos medios, a las circunferencias concéntricas. Luego estas circunferencias
son el lugar pedido.
8
A 6- Hallar el lugar geométrico de los puntos cuya relación de distancias, paralelamente a
direcciones dadas, a dos rectas fijas es constante.
Solución:
d
n
r
r’
m
O
d’
A H
P
H’ A’
Sean m y n las rectas dadas, y d y d ′ las direcciones. Las distancias según estas direcciones, de
un punto P a m y n, son PA y PA ′ . Las distancias (perpendiculares) a las rectas son PH y PH ′ .
Cualquiera que sea la posición de P, los triángulos PAH (y los PA ′ H ′ ) serán semejantes. Por
tanto la relación entre las distancias PH y PH ′ es constante. El lugar pedido es el conjunto de
dos rectas r y r ′ , que pasan por O, intersección de m y n.
A 7- Hallar el lugar geométrico de los puntos de contacto de las tangentes paralelas a una dirección
dada, trazadas a las circunferencias tangentes a una recta fija dada, en un punto fijo A de esta.
Solución:
T
O
T’
P
A
P’
Sea PA la recta dada, O el centro de una de las circunferencias tangentes a PA en A, y sean PT y
P ′ T ′ las tangentes a O paralelas a la dirección dada, siendo T y T ′ los respectivos puntos de
tangencia (los ángulos de estas tangentes con la recta dada son constantes). Siendo OT
perpendicular a PT, y OA perpendicular a PA, el ángulo TOA es suplementario del APT y por
tanto constante. Como el triángulo OAT es isósceles (OT  OA), los ángulos OAT y OTA son
iguales y constantes, midiendo la mitad del APT. El lugar pedido es el conjunto de dos rectas
AT y AT ′ , perpendiculares entre sí, que pasan por A y forman con la recta dada ángulos iguales
a la mitad del APT y a la mitad de su suplementario.
A 8- Hallar el lugar geométrico de los puntos tales que la relación de sus distancias a dos
circunferencias dadas, sea igual a la relación de los radios de estas.
Solución:
A
B
O’
C
O
P’
O’’
P’’
Sean O ′ y O ′′ las circunferencias dadas, R y r sus radios y sea A un punto tal que
AB  O ′ B  R . Por tanto AB  O ′ B  AC  O ′ C  AO ′  AO ′′ . Luego A está en el
r
r
R
AC
O′C
O′B
O′C
lugar de los puntos cuya relación de distancias a dos dados, O ′ y O ′′ , es constante. Este lugar es
una circunferencia cuyo centro O está en la recta O ′ O ′′ .
9
A 9- Por un punto fijo M se traza una secante que corta a un círculo fijo O en los puntos P y P ′ . Se
lleva a partir de M y sobre MPP ′ , una distancia MN igual a la semisuma de MP y MP ′ . Hallar el
lugar geométrico de N cuando varía la secante.
Solución:
P’ A
N
P
M
O
Q
B
′
′
MN  MP  MP  MP  PP . Luego N es el punto medio de PP ′ , por lo que el ángulo
2
2
MNO es recto, y N está en el arco capaz de 90º sobre OM. El lugar pedido es el arco AB de la
circunferencia de centro Q, punto medio de MO, y radio MO .
2
A 10- Se da una circunferencia O y una cuerda AB. Haciendo centro en un punto C del arco AB, se
traza una circunferencia tangente a la cuerda AB y se trazan las tangentes a esta circunferencia
desde A y B, que se cortan en M. Hallar el lugar geométrico de M cuando C describe el arco
AB.
Solución:
A
O
C
M
B
El ángulo ACB es constante. Como MAC  CAB y MBC  CBA, el ángulo AMB es constante
pues mide 2C − . El lugar pedido es el arco capaz de 2C − , trazado sobre AB.
A 11- Se dan tres puntos alineados A, B y C. Se trazan las perpendiculares en B y C a la recta ABC.
Una recta variable r corta a las perpendiculares en M y M′, de manera que AM  2AM′. Se
proyecta A sobre r en H. Hallar el lugar geométrico de H.
Solución:
M
D
M’
H
A
B FC
G
r
E
10
Trazando la bisectriz interior AD del ángulo MAM ′ , se tiene que DM′  AM′  2, luego D
DM
AM
se desplaza a lo largo de la recta DF, paralela a MB y M′C, siendo FB  2FC. Análogamente,
siendo AE la bisectriz exterior de MAM ′ , se tiene EM′  AM′  2, desplazándose E a lo
EM
AM
largo de la recta EG, paralela a DF, siendo GB  2GC. El haz A, MM′DE, cortado por MM′
da la relación MM′DE  −2  −1. Proyectando MM′DE desde la dirección perpendicular
2
a ABC, se tiene el haz , BCFG, que cortado por ABC da la relación BCFG  −1. Por tanto,
proyectado desde H, las rectas HF y HG son las bisectrices del triángulo BHC. Luego el ángulo
FHG es recto, por lo que el lugar de H es una circunferencia de diámetro FG.
A 12- Se da un círculo O y un diámetro fijo AB. Sobre un radio variable OC se lleva OI  CD,
siendo D el pie de la perpendicular trazada desde C sobre el diámetro AB. Hallar el lugar
geométrico de I, cuando varía el radio OC.
Solución:
E
C
M
O
A
I
D
B
N
F
Los triángulos OIE y OCD son iguales (OE  OC, OI  CD, y el ángulo EOI igual al OCD).
Luego el ángulo OIE es recto por serlo el ODC. Por ello, el lugar geométrico de I es el conjunto
de dos circunferencias iguales, tangentes exteriores en O, de radio igual a la mitad del radio de
la circunferencia dada, y cuyos centros son M y N, puntos medios de OE y OF, siendo EF el
diámetro perpendicular a AB.
A 13- Hallar el lugar geométrico de los centros de las circunferencias que cortan ortogonalmente a
dos circunferencias dadas.
Solución:
O
T’
T’’
O’’
O’
r
Sean las circunferencias dadas O ′ y O ′′ de radios r ′ y r ′′ , y sea O un punto del lugar. La
circunferencia O corta en T ′ a la circunferencia O ′ , y en T ′′ a la O ′′ . Siendo O ′ T ′ perpendicular
a OT ′ , y O ′′ T ′′ a OT ′′ , y como OT ′  OT ′′  R, radio de la circunferencia O, se tiene que
OO ′2  R 2  r ′2 y OO ′′2  R 2  r ′′2 , es decir que OO ′2 − OO ′′2  r ′2 − r ′′2 , que es constante.
Luego el lugar pedido es una recta perpendicular a O ′ O ′′ , eje radical de las circunferencias
dadas.
11
A 14- Hallar el lugar geométrico de los centros de las circunferencias que cortan a otras dos dadas
según diámetros.
Solución:
A
M
B
O
O’
B’
A’
Sean las circunferencias dadas O y O ′ , de radios r y r ′ . Siendo M un punto del lugar, se tiene:
AM 2  OM 2  r 2  MB 2  O ′ M 2  r ′2 . Por tanto OM 2 − O ′ M 2  r ′2 − r 2 que es constante.
Luego el lugar es una recta perpendicular a OO ′ . Esta recta es simétrica del eje radical con
relación al punto medio de OO ′ .
A 15- Hallar el lugar geométrico de los centros de los rectángulos inscritos en un triángulo dado.
Solución:
A
I
P
Q
K
O
R
B
C
S
HJ M
Sea el rectángulo PQRS inscrito en el triángulo dado ABC, estando su base RS sobre el lado
BC, y siendo O su centro. La altura del triángulo sobre el lado BC es AH, siendo K su punto
medio; AM es la mediana sobre dicho lado; IOJ es la altura del rectángulo que pasa por O. En
el triángulo AHM, el punto O se encuentra sobre la recta MK que une los puntos medios del
lado BC y de la altura AH. El lugar pedido consta de tres rectas que unen los puntos medios de
cada lado del triángulo con los puntos medios de sus respectivas alturas.
A 16- En una circunferencia dada O, se traza una cuerda fija AB y otra variable AC. Sobre estas
cuerdas se construye el paralelogramo ABCD. Hallar los lugares geométricos del centro M del
paralelogramo y de su vértice D.
Solución:
D
C
M
O’
O’’
O
B
A
M es el punto medio de la cuerda AC, por lo que el ángulo AMO es recto. En consecuencia, el
lugar de M es la circunferencia de centro O ′ , punto medio de AO, y diámetro AO. Siendo
BD  2BM, el lugar geométrico de D es la circunferencia O ′′ , homotética de la O ′ , siendo B el
centro de homotecia y la razón 2.
12
A 17- Se da una circunferencia O y un diámetro fijo AB. Desde un punto C variable, situado sobre
la prolongación de AB, se traza una tangente CT y la bisectriz del ángulo ACT. Hallar el lugar
geométrico del pie de la perpendicular trazada desde el centro O sobre esta bisectriz.
Solución:
S
L
P
T
H
A
M
O
R
B
C
Sean: CP la bisectriz de ACT (P está sobre OS, radio perpendicular a AB), H el pie de la
perpendicular trazada desde O sobre CP, TR la perpendicular desde T a CP, L el punto de
intersección de OH con CT, LR la perpendicular desde L sobre AB. El triángulo COL es
isósceles (CO  CL, HO  HL), siendo sus alturas CH, OT y LR, siendo M su ortocentro. El
triángulo OPM es isósceles (SOL  LOT), luego OP  OM, es decir SP  TM. El triángulo
HTR es isósceles (HRT  HTR), luego HT  HR El triángulo OHR es isósceles
(HOR  HRO), luego HO  HR. Por tanto los triángulos HPS y HMT son iguales. De ello se
deduce que SH  HT  HR  HO. Es decir que, al ser SH  HO, H está sobre la mediatriz de
SO, que es el lugar geométrico pedido.
A 18- En una circunferencia O, está inscrito un cuadrilátero ABCD, en el que AB es fijo y CD
constante en magnitud. Hallar el lugar geométrico del punto de intersección de las diagonales,
así como el del punto de intersección de las rectas que unen los puntos medios de los lados
opuestos.
Solución:
C
Q
D
O
M
E
O’
A
P
B
Siendo E el punto de intersección de las diagonales, el ángulo AEB es constante, pues es igual
a la semisuma de los arcos AB y CD que son constantes. Luego el lugar geométrico de E es el
arco capaz de dicho ángulo sobre AB. Uniendo los puntos medios de los lados del ABCD, se
forma un paralelogramo, cuyas diagonales se cortan en M, punto medio de QP, que a su vez,
son los puntos medios de CD y AB. Al ser CD constante en magnitud, el lugar de Q es una
circunferencia de centro O. Como M es punto medio de QP, su lugar geométrico es una
circunferencia homotética de la anterior, con centro de homotecia P y razón 1 .
2
13
A 19- Se da una circunferencia O y un diámetro fijo AOB. Siendo C un punto variable de la
circunferencia, se prolonga AC una longitud CD  AC. Hallar el lugar geométrico de M,
intersección de BC y OD.
Solución:
D
C
M
O
A
O’
B
En el triángulo ABD, M es su baricentro y OM  OD . El punto D recorre la circunferencia
3
homotética de la dada, con centro de homotecia A y razón 2. El punto M recorre la
circunferencia homotética de la anterior, con centro de homotecia O y razón 1 .
3
A 20- Hallar el lugar geométrico de los baricentros de los triángulos isósceles que tienen fijo uno
de sus lados iguales, AB, siendo móvil el otro lado igual, AC.
Solución:
A
O
M
C
G
B
El vértice C recorre la circunferencia de centro A y radio AB  AC. El punto medio M de AC
recorre la circunferencia concéntrica con la anterior y de radio la mitad de AC. El baricentro G
recorre una circunferencia homotética con la que recorre M, con centro de homotecia B y razón
2.
3
A 21- Hallar el lugar geométrico de los ortocentros de los triángulos que tienen un lado BC fijo y
el ángulo A constante.
Solución:
A
N
H M
B
C
Sean BM y CN las alturas trazadas desde B y C sobre los lados opuestos y H el ortocentro. El
ángulo BHC  MHN, es constante e igual a 180º − A. El lugar pedido es el arco capaz de
180º − A trazado sobre BC.
14
A 22- Se da una circunferencia O y dos puntos fijos en ella, B y C. Un punto A recorre la
circunferencia. Se llaman A ′ , B ′ , C ′ las intersecciones de la circunferencia con las bisectrices
del triángulo ABC. Hallar el lugar geométrico de H, ortocentro del triángulo A ′ B ′ C ′ .
Solución:
A
C’
B’
O
H
D
B
C
A’
Por ser A constante, A’ es fijo, pues es el punto medio del arco BC. En el triángulo A ′ DB ′ ,
DB ′ A ′  90º − DA ′ B ′  90º − B  C  A , Como BB ′ A ′  A , los puntos B, B ′ y H están
2
2
2
alineados, coincidiendo H con el incentro del ABC. Por ser B ′ BA ′  A  B  BHA ′ , el
2
triángulo A ′ BH es isósceles. Luego A ′ H es constante al ser igual a A ′ B. El lugar pedido es el
arco de centro A ′ y radio A ′ B, limitado por la circunferencia dada O.
A 23- Se dan dos rectas paralelas. Por un punto O fijo de la primera, se traza una secante variable
que corta a la segunda en B. Se traza BC perpendicular a OB, que corta a la primera paralela en
C. Se forma el ángulo OCM igual al doble del BOC. Por O se traza la perpendicular a CM, que
la corta en M. Hallar el lugar geométrico de M.
Solución:
B
a
C
O
M
Sea a la distancia entre las dos paralelas. y  el ángulo BOC. Se tiene que
a
OM  OC  sin 2  BC sin 2 
sin 2  2a. El lugar pedido es una
sin 
sin  cos 
circunferencia de centro O y radio 2a.
15
A 24- Se considera una circunferencia de centro O y diámetro AB. Por O se traza un radio
cualquiera OM. Por M se traza la perpendicular a OM que corta al diámetro AB en C. Por O se
traza una recta d que forma con el diámetro AB un ángulo mitad del que forma CM con dicho
diámetro. Por C se traza una perpendicular a d, que la corta en P. Hallar el lugar geométrico de
P cuando varía el radio OM.
Solución:
M
P
r3
r1
d
O
A
H C
B
r4
r2
Siendo  el ángulo que forma d con AB, R el radio de O, y PH la distancia de P a AB, se tiene:
R
PH
OC 
 PC 
. Luego PH  R sin  cos   R . El lugar pedido está
sin 
sin  cos 
sin 2
sin 2
2
formado por las semirrectas r 1 , r 2 , r 3 y r 4 , paralelas a AB y que distan de esta una distancia
igual a R .
2
A 25- Un triángulo rectángulo se mueve de manera que los vértices B y C, correspondientes a los
ángulos agudos, describen respectivamente los lados OX y OY de un ángulo recto. Hallar el
lugar geométrico del vértice A, correspondiente al ángulo recto.
Solución:
Y
A
B
O
C
X
Siendo rectos los ángulos BAC y BOC, el cuadrilátero ABOC es inscriptible. Los ángulos AOC
y ABC son iguales, luego al ser constante este último, aquel también lo es, por lo que A
describe un segmento de la recta OA, limitado por las posiciones que toma A cuando B y C se
sitúan en O.
16
A 26- Hallar el lugar geométrico de los centros de los círculos que son cortados diametralmente
por otros dos dados.
Solución:
r
O’
B
O
A’
M
A
B’
Sean O y O ′ los círculos dados de radios R y R ′ , y M el centro del círculo cortado
diametralmente en A y A ′ por O, y en B y B ′ por O ′ , cuyo lugar se pide. Se tiene que
MO 2  R 2 − MB 2 y MO ′2  R ′2 − MA 2 . Como MA  MB, MO 2 − MO ′2  R 2 − R ′2 , que es
constante. Luego el lugar pedido es una recta perpendicular a OO ′ (eje radical de O y O ′ ).
A 27- De un cuadrilátero ABCD, se conoce AB en posición y magnitud, y BC, CD y AC en
magnitud. Hallar el lugar geométrico del punto medio de la diagonal BD.
Solución:
O
B
C
M
D
A
Construido el triángulo ABC, el lugar geométrico de D es una circunferencia de centro C y
radio CD. El lugar pedido es la circunferencia homotética de la anterior, con centro de
homotecia B y razón 1 , es decir que su centro O es el punto medio de BC y su radio CD .
2
2
También forma parte del lugar la circunferencia simétrica de O con relación a AB.
17
A 28- Sean dos ejes perpendiculares XOX ′ , YOY ′ . Sobre OX se lleva OA  a, y sobre OY ′ se lleva
OB  2a. Siendo M un punto tal que su distancia a OX es MP, y a OY, MQ, cumpliéndose que
2MQ − MP  2a, hállese su lugar geométrico y sus condicionantes.
Solución:
Y
Q
M
O
X’
A
X
P
B
Y’
El lugar geométrico es la recta AB. Esta recta está en los cuadrantes 1º, 4º y 3º. En el cuadrante
1º se cumple siempre la condición definida. En el 4º cuadrante, MP es negativo, luego la
condición del enunciado se transforma en 2  MQ − −MP  2a, es decir que en vez de restar
la distancia MP, hay que sumarla, cumpliéndose la condición. En el cuadrante 3º, MP y MQ
son negativos, es decir 2−MQ − −MP  2a, por lo que hay que restar la distancia MQ y
sumar la MP, cumpliéndose así la condición del enunciado.
A 29- Se consideran dos rectas secantes XOX ′ e YOY ′ . Sobra la primera se consideran dos puntos A
y A ′ . Sobre la segunda, otros dos, B y B ′ . Los puntos A y B son fijos, mientras que los puntos A ′
y B ′ se mueven sobre las rectas dadas, permaneciendo del mismo lado de AB, de manera que la
′
relación AA ′  k es constante. Hallar el lugar geométrico de M ′ , punto medio de A ′ B ′ .
BB
Solución:
Y
B’
B H
M’
M
D
X’
G
Y’’
X’’
E
O
C
A
F
A’
X
Y’
Sean OA  a, OB  b, M el punto medio de AB, AA ′  x, BB ′  y, siendo x  ky,
OA ′  a  ky, OB ′  b  y. Trazando por M las paralelas DMX ′′ y CMY ′′ a XX ′ e YY ′ ,
respectivamente, se tiene que AC  a , BD  b . Las paralelas por M ′ a las dos rectas dadas,
2
2
′
by
y
′
′
′
son M EF y M GH. Se tiene que M E  M ′ F − EF  OB − OD 
− b  .
2
2
2
2
′
Análogamente, M ′ G  x . Por ello se tiene que: M ′G  xy  k. Por tanto, el lugar pedido es
2
ME
una recta que pasa por M.
18
A 30- Se da una circunferencia O y un punto interior M, por el que se trazan las cuerdas AMA ′ y
BMB ′ perpendiculares entre sí. Hallar el lugar geométrico de I, punto medio de AB.
Solución:
B
A’
I
M
P
A
O
B’
En el triángulo rectángulo AIO, se tiene OA 2  OI 2  IA 2  OI 2  IM 2 . Luego el lugar pedido
es una circunferencia.
A 31- Un triángulo de área constante, gira en su plano alrededor del vértice A, siendo el ángulo A
constante. El vértice C recorre una recta dada m. Hallar el lugar geométrico del vértice B.
Solución:
A
B’
B
m
C’
C
Sea ABC una posición del triángulo en la que AC es perpendicular a m. Girándolo un ángulo ,
se obtiene por ejemplo la posición AB ′ C ′ . El área del ABC es AC  AB sin A . Y la del AB ′ C ′ es
2
AC ′  AB ′ sin A . Luego AC  AB ′ . Además, CAC ′  A    BAB ′ . Por tanto los
AB
2
AC ′
′
′
triángulos ACC y ABB son semejantes, por lo que AB ′ B  90º, y el lugar pedido es una
circunferencia de diámetro AB.
19
A 32- Dados dos puntos A y B y tres números a, b, c, hallar el lugar geométrico de los puntos M
tales que a  MA 2  b  MB 2  c.
Solución:
M
A
C
H
B
Se toma sobre AB un punto C tal que CA  b
a . En el triángulo MAC se tiene:
CB
2
2
2
En
el
triángulo
MCB,
se
tiene:
MA  MC  CA − 2AC  HC.
2
2
2
MB  MC  CB  2BC  HC. Multiplicando la primera igualdad por a, y la segunda por b, y
sumándolas, se tiene: a  MA 2  b  MB 2  c  a  bMC 2  a  CA 2  b  CB 2 , pues los otros
2
2
dos sumandos se anulan. Luego MC 2  c − a  CA − b  CB , que es constante. Por tanto M
ab
2
2
describe una circunferencia de centro C y radio c − a  CA − b  CB .
ab
A 33- Se dan dos círculos O y O ′ secantes en A y B. Sobre la secante variable MAM ′ se construyen
triángulos MM ′ P semejantes a uno dado. Hallar el lugar geométrico de P.
Solución:
A
M’
M
O
O’
B
D
E
P
Siendo constantes los ángulos en M y M ′ , AD y AE son fijos, siéndolo también DE, por lo que
el vértice P está sobre el arco capaz de P sobre DE.(esta circunferencia pasa también por B).
A 34- Se da una circunferencia O y un diámetro AB. Se traza una cuerda AM, que se prolonga
MC  AM, Hallar el lugar geométrico de C.
Solución:
C
M
O
A
B
C describe una circunferencia homotética de O, con centro de homotecia A y razón 2.
20
A 35- Hallar el lugar geométrico de los polos de inversión que transforman dos círculos dados en
otros dos de igual radio.
Solución:
T1
T2
O1
O2
S
O’2
T’2
O’1
T’1
Sean O 1 y O ′1 los círculos dados de radios R 1 y R ′1 , S el polo de inversión, y O 2 y O ′2 los
círculos transformados de igual radio R 2 . Se tienen las siguientes igualdades:
ST ′2
SO ′2
ST 2  SO 2  R 2 ,
ST 1  ST 2  ST ′1  ST ′2 ,
ST 21  SO 21 − R 21 ,

 R 2′ ,
′
′
R1
ST 1
SO 1
ST 1
SO 1
R1
ST ′21  SO ′21 − R ′21 . Operando se obtiene la igualdad: R ′1  SO 21 − R 1  SO 21  R 1  R ′1 R 1 − R ′1 
A, luego el lugar geométrico de S es una circunferencia. Si en la recta O 1 O ′1 se toma un
punto P tal que se cumple la igualdad: O 1′ P  R 1′ B, llamando H a la proyección de S
R1
O1P
sobre O 1 O ′1 , se tienen las igualdades: SO 21  SP 2  O 1 P 2  2O 1 P  PH
C, y
SO ′21  SP 2  O ′1 P 2 − 2O ′1 P  PH
D. Sustituidos estos valores en A se obtiene:
R 1 R ′1 R 1 − R ′1  − R ′1  O 1 P 2 − R 1  O ′1 P 2
SP 2 
. Luego la citada circunferencia tiene como
R ′1 − R 1
centro el punto P definido en B, siendo su radio SP.
A 36- Hallar el lugar geométrico de los puntos de contacto de los pares de círculos tangentes entre
sí y tangentes cada uno a dos círculos dados exteriores entre sí.
Solución:
M
T
O’
O
N
El lugar geométrico de los polos de inversión que transforman dos círculos exteriores en otros
dos de igual radio, es una circunferencia (ver A 35). Con polo de inversión un punto cualquiera
de esta circunferencia, los dos círculos dados se transforman en dos de igual radio (O y O ′ . En
este caso, el lugar geométrico de los puntos de contacto de dos circunferencias tangentes entre
sí (de centros M y N), y tangentes a las dos circunferencias de igual radio (la inversión
mantiene las tangencias), es la mediatriz MN de la recta que une los centros de los dos círculos
iguales. Luego el lugar pedido es la circunferencia inversa de dicha mediatriz.
A 37- Hallar el lugar geométrico de los polos de inversión que transforman los vértices de un
triángulo dado ABC, en los de un triángulo isósceles A ′ B ′ C ′ , de forma que A ′ B ′  A ′ C ′ .
Solución: Siendo S el polo de la inversión, se tiene que A ′ B ′  k  AB y A ′ C ′  k  AC .
SA  SB
SA  SC
Luego SB  AB . Por tanto el lugar pedido es una circunferencia, lugar de los puntos cuya
SC
AC
relación de distancias a dos puntos dados B y C, es constante e igual a AB .
AC
21
A 38- Se da un punto M y un círculo O Se trazan pares de secantes MAA ′ y MBB ′ variables. Hallar
el lugar geométrico de los puntos P de corte de los círculos MAB ′ y MA ′ B.
Solución:
N’
A’
O’’
S
A
M’
B
O
P
M
R
O’
B’
N
El lugar geométrico de M ′ , intersección de A ′ B con AB ′ , es la polar de M respecto a O. Al
invertir la figura con centro en O y potencia la de M respecto a O, los círculos MAB ′ O ′  y
MA ′ B O ′′  se transforman en las rectas AB ′ y A ′ B, perpendiculares a MO ′ y MO ′′ , o sea en los
ejes radicales (AB ′ eje radical de O y O ′ , A ′ B de O y O ′′ ), ya que
MN  MR  MN ′  MS  MA  MA ′  MB  MB ′ . El lugar geométrico de P es la circunferencia
inversa de la polar.
A 39- Hallar el lugar geométrico de los centros O ′ de los círculos circunscritos a los triángulos
autopolares ABP con respecto a una circunferencia dada O, que tienen un vértice P fijo.
Solución:
A
O’
B
O
P’ M
P
El círculo circunscrito es ortogonal al de Monge (ortóptico) de O, y como pasa por el punto
dado P, que se puede considerar como un círculo de radio nulo, también es ortogonal a él.
Luego el lugar pedido es el eje radical del círculo de radio nulo (punto P) y del círculo
ortóptico de O, es decir la mediatriz de PM.
22
A 40- Se da una circunferencia O y dos puntos A y B. Se trazan secantes variables AMN, y se
llevan ángulos iguales a uno dado, BMX y BNX. Hallar el lugar geométrico de X.
Solución:
A
M
N
O
B
O’
C
X
Los puntos M, N, B, X son concíclicos (círculo O ′ ) pues B y X están en el arco capaz del
ángulo dado sobre MN El punto A está en el eje radical de O y O ′ , luego AM  AN  AB  AC,
por lo que el punto C es fijo, y el ángulo BCX también lo es. Por tanto el lugar pedido es una
recta que forma con BC dicho ángulo.
A 41- Hallar el lugar geométrico de los puntos cuyas polares respecto a tres circunferencias dadas,
son concurrentes.
Solución:
R
A
B
B’
O
A’
P
C
C’
Sean las tres circunferencias A, B, C, sea P un punto del lugar, y sea R el punto en que se cortan
las tres polares. La circunferencia O, de diámetro PR, pasa por A ′ , B ′ y C ′ , pies de las tres
polares de P respecto a A, B y C. Se tiene que AA ′  AP  R 2A , luego O es ortogonal a A. De la
misma forma, es ortogonal a B y C. Luego todo punto del lugar está en O. Sea P un punto
cualquiera de O. Se une P con A y se traza la perpendicular a PA en A ′ , que pasa por R que es
diametralmente opuesto a P, teniéndose, por ser A ortogonal, que AA ′  AP  R 2A . Luego A ′ R es
la polar de P respecto a A. Lo mismo para B y C. Por tanto, las tres polares pasan por R, por lo
que P, punto cualquiera de O, es del lugar pedido. El siguiente razonamiento conduce a la
misma solución: Para que las polares de P sean concurrentes, es necesario y suficiente que lo
sean los ejes radicales de P respecto a los tres círculos. El punto de intersección de los tres ejes
radicales tiene la misma potencia respecto a los tres círculos, luego un punto común debe
coincidir con el centro radical de los tres círculos. Siendo O el centro radical, OP es igual a la
tangente trazada desde O a cada círculo. Luego P tiene que estar en la circunferencia de centro
O que corta ortogonalmente a los tres círculos.
23
A 42- Se hace girar una circunferencia alrededor de uno de sus puntos y en cada posición se le
trazan tangentes paralelas a una recta fija. Hallar el lugar geométrico de los puntos de
tangencia.
Solución:
M
O
N
P
A
Q
Sea O el círculo dado que gira alrededor de A. El centro O describe un círculo de centro A y
radio AO. Los puntos de tangencia son M y N, de forma que OM  ON  OA, siendo MN
perpendicular a la dirección dada. El lugar consta de dos circunferencias iguales a la dada,
cuyos centros están a un lado y otro de A, en la dirección perpendicular a la dada, siendo
tangentes entre sí en A.
A 43- Siendo G el centro de gravedad del triángulo ABC, demostrar que para todo punto P del
plano se cumple que PA 2  PB 2  PC 2  3PG 2  GA 2  GB 2  GC 2 .
Solución:
En el triángulo PGA se tiene: PA 2  PG 2  AG 2 − 2PG  GA ′ , siendo A ′ la
proyección de A sobre PG. De forma similar, en el triángulo PGB se tiene
PB 2  PG 2  BG 2 − 2PG  GB ′ , y en el PGC, PC 2  PG 2  CG 2 − 2PG  GC ′ . Sumando las
tres igualdades, y teniendo en cuenta que por ser G el centro de gravedad se cumple que
GA ′  GB ′  GC ′  0 (cada sumando con su signo correspondiente), se tiene
PA 2  PB 2  PC 2  3PG 2  GA 2  GB 2  GC 2 .
A 44- Hallar el lugar geométrico de los puntos para los que la suma de los cuadrados de sus
distancias a los vértices de un triángulo, es constante e igual a k 2 .
Solución:
En el problema anterior A 43, haciendo PA 2  PB 2  PC 2  k 2 , se tiene
3PG 2  GA 2  GB 2  GC 2  k 2 . Luego PG 2  1 k 2 − GA 2 − GB 2 − GC 2 . Por tanto el lugar
3
pedido es una circunferencia cuyo centro es el centro de gravedad del triángulo y su radio
1 k 2 − GA 2 − GB 2 − GC 2  .
3
A 45- Se hace girar una circunferencia alrededor de un punto fijo A y en cada posición se le trazan
tangentes paralelas a una dirección dada. Hallar el lugar geométrico de los puntos de tangencia.
Solución:
M
O
P
N
A
Q
El centro O del círculo dado describe un círculo de centro A y radio AO. Trazando por O la
perpendicular a la dirección dada y tomando en uno y otro sentido el radio R de O, se tendrán
los dos puntos de tangencia M y N. El lugar pedido está formado por dos círculos P y Q, de
radio AO, tales que AP  AQ  R, siendo MN perpendicular a la dirección dada.
24
A 46- Hallar el lugar geométrico del pie de las alturas sobre las hipotenusas, de todos los
triángulos rectángulos que teniendo el vértice A, correspondiente al ángulo recto, común y fijo,
tienen el vértice C sobre el eje OY, y el B sobre el eje OX.
Solución:
Y
C
A
C’
H
O
H’
B
B’
X
Sea el triángulo rectángulo ABC. Trazando por A las perpendiculares a los ejes, se tiene el
AB ′ C ′ . Siendo CAC ′ igual al BAB ′ , por ser sus lados perpendiculares, los triángulos ACC ′ y
ABB ′ son semejantes, por lo que AC  AC′ . Luego los triángulos ABC y AB ′ C ′ también lo
AB
ÀB
son por la relación anterior y tener el ángulo en A igual. De ahí que los triángulos ACH y AC ′ H ′
(H y H ′ son los pies de las perpendiculares desde A) también son semejantes. Luego girando el
triángulo ABC alrededor de A un ángulo CAH y multiplicándolo por la relación AH
AC
(homotecia), se obtiene el triángulo AB ′ C ′ . Por ello el lugar pedido es la recta B ′ C ′ .
A 47- Dado un triángulo isósceles, halla el lugar geométrico de los puntos tales que su distancia a
la base del triángulo sea media proporcional entre sus distancias a los otros dos lados.
Solución:
B
O
A
C
Si desde un punto A exterior a un círculo O se trazan las tangentes AB y AC y la polar BC, la
distancia de un punto de la circunferencia a la polar es media proporcional entre las distancias
de ese punto a las tangentes. Luego dado el triángulo ABC, el lugar pedido es el círculo O
tangente en B y C a los lados AB y AC.
25
A 48- Sea un triángulo ABC. Sobre AC se marca un punto M, y sobre BC un punto N, tales que se
verifique constantemente CN  CA  CM  CB. 1º) Encontrar cómo varía la recta MN, cuando
M y N se desplazan satisfaciendo la condición anterior. 2º) En N se traza la perpendicular a AC,
y en M la perpendicular a BC. Hallar en las mismas condiciones, el lugar geométrico de la
intersección de ambas perpendiculares. 3º) Se reemplaza el punto M por M ′ sobre BC de forma
que CN  CA  −CM ′  CB. La perpendicular a BC por M ′ corta a la perpendicular a AC por N
en P ′ . Hallar el lugar geométrico de P ′ .
Solución:
A
P
M
P’
B
C
M’
N
1º) CN  CB y como C es constante, todos los triángulos ABC son semejantes y MN se
CM
CA
conserva paralela a sí misma. 2º) En todos los triángulos PMN, MN se conserva paralela a sí
misma, y lo mismo PM y PN por construcción, luego son semejantes, y como M y N describen
AC y BC, P describe la recta PC. 3º) Lo mismo sucede con todos los triángulos P ′ M ′ N, que son
semejantes, y como M ′ y N describen las rectas BC y AC, P ′ describe la recta P ′ C.
A 49- Se da un cuadrilátero ABCD. 1º) Demostrar que existe una infinidad de paralelogramos
MNPQ inscritos en él (M sobre AB, N sobre BC, P sobre CD, Q sobre DA). 2º) Encontrar el
lugar geométrico de los puntos de intersección de las diagonales de estos paralelogramos.
Solución:
B
M
A
O
S
F
H
Q
E
R
P
D
N
C
QD
1º) Se fijan los puntos M, N, P y Q de forma que MA  NC  PC 
 m
n . Luego
MB
NB
PD
QA
DQ
MQ
PQ
AM
m

 mm
PQ es paralela a AC, teniéndose que
 n , y BD  AB  m  n . Luego
DA
AC
MQ y NP son paralelas a BD, y MN y PQ lo son a AC. Por tanto MNPQ es un paralelogramo.
Variando la relación m
n se tienen infinitos paralelogramos inscritos en ABCD. 2º) E y F son los
puntos medios de AC y BD, luego DE es la mediana de ADC, y BE la de ABC. Luego H es el
centro de MNPQ. El punto H está siempre en EF, pues EH es mediana de ERS, y EF lo es de
DEB. Luego el lugar de H es la recta EF.
Nota: Estos mismos argumentos son válidos en el espacio cuando ABCD es un cuadrilátero
alabeado.
26
A 50- Se consideran los rectángulos circunscritos a un cuadrilátero de diagonales perpendiculares.
Demostrar que son semejantes y hallar el lugar geométrico de sus centros.
Solución:
S
F
P
O
G
D
C
N
L
H
B
K
Q
E
A
M
R
Sea el cuadrilátero ABCD y un rectángulo el MNPQ. Por ser ARB  BSA (RB es perpendicular
a SA, y RA a SB), se tiene AC  DB y MN  AC , con lo que se demuestra que los
MN
DB
MQ
QM
rectángulos son semejantes. El lugar geométrico de O es el arco capaz de 90º sobre KL, puntos
medios de BD y AC
A 51- Se dan dos círculos O y O ′ , tangentes exteriores en A. Se considera una de sus tangentes
comunes TT ′ . Un círculo variable O ′′ que pasa por A y que es tangente a TT ′ , corta a O y a O ′
en M y en M ′ , respectivamente. Sea P el polo de MM ′ respecto a O ′′ . Y sea N el punto de
intersección de PA con O ′′ . Hallar el lugar geométrico de N y P.
Solución:
o’
n
o
A
A
O
P1
O’’
M
T
W
O’
M’
N
P
M’1
N1
T’
o’’
M1
Invirtiendo con centro A y potencia cualquiera, los círculos O y O ′ se invierten en dos rectas
paralelas, o y o ′ (figura de la derecha), la tangente TT ′ en un círculo que pasa por A, es tangente
a las dos rectas anteriores y cuyo centro es W, el círculo O ′′ se invierte en una recta o ′′ tangente
al círculo anterior , y las tangentes MP y M ′ P en dos circunferencias que pasan por A y son
tangentes a o ′′ en los puntos de corte M 1 y M ′1 de esta con las rectas o y o ′ . Tras la inversión, la
potencia de N 1 , inversa de N, respecto a las circunferencias inversas de MP y M ′ P, es, siendo
P 1 el inverso de P, N 1 P 1  N 1 A  N 1 M 21  N 1 M ′21 . Luego N 1 es el punto medio de M 1 M ′1 , y su
lugar geométrico es la recta n, paralela media de o y o ′ , limitada por la circunferencia W. Como
el ángulo M 1 WM ′1 es recto, se tiene que N 1 M 1  N 1 M ′1  N 1 W, luego
N 1 P 1  N 1 A  N 1 M 21  N 1 W 2 , por lo que P 1 está en una circunferencia que pasa por A y es
tangente en W a la recta n. Deshaciendo la inversión, el lugar geométrico de N es una
circunferencia con centro el de semejanza de O y O ′ , limitada por TT ′ . El lugar de P es la
tangente a la circunferencia lugar geométrico de N.
27
A 52- Hallar el lugar geométrico de los puntos de corte de las rectas de Simson correspondientes a
dos puntos diametralmente opuestos de la circunferencia circunscrita a un triángulo.
Solución:
P
A
Q
L
J
E
O’
H
O
G
C
T
F
K
U
N
V
S
M
B
D
P’
Sea ABC el triángulo, H su ortocentro, punto de corte de las alturas AT y BJ, O el centro del
círculo circunscrito, P y P ′ dos puntos diametralmente opuestos de dicho círculo, Q y K los
pies de las perpendiculares trazadas desde P sobre AB y BC, S y U los de las trazadas desde P ′
sobre BC y AB, QKM y USM las respectivas rectas de Simson que se cortan en M. Trazando
por H las paralelas a dichas rectas, se tienen HF y HG. Haciendo las construcciones para la
demostración de la recta de Simson, se obtiene que el cuadrilátero CJHT es inscriptible, pues
son rectos los ángulos HJC y CTH, luego C  JHT  180º. Por tanto
JHT  GHF  JHG − THF  180º − C. De ahí que GHF 
arco AP  arco PB
arco P ′ B
−
 180º − C − JHG  THF  180º − C − JEG  TDF  180º −
2
2
arco AP
360º − arco AP  arco AP − arco PB − arco P ′ B
360º
−
180º



 90º.
2
2
2
′
Por tanto, las rectas de Simson correspondientes a P y P son perpendiculares. Las rectas HP y
HP ′ cortan respectivamente a las dos rectas de Simson, en L y N. Por las características de las
′
rectas de Simson, se tiene que LP  LH, NP ′  NH, LN  PP . La recta HO corta a LN en
2
O ′ , de forma que O ′ O  O ′ H. Luego O ′ es fijo, y como el triángulo LNM es rectángulo, se
tiene que O ′ M  O ′ L  O ′ N  R , siendo R el radio de O. Por tanto el lugar geométrico de M
2
es el círculo de los nueve puntos o de Euler.
28
A 53- Se da un ángulo recto XOY y un punto P en su plano. Alrededor de P gira un ángulo recto
cuyo vértice es P y cuyos lados encuentran a OX y OY en A y B. Sea M el cuarto vértice del
rectángulo AOBM. Hallar el lugar geométrico de M, así como los lugares de los baricentros de
los triángulos OAB y PAB.
Solución:
Y
P
M
B
C
A
O
X
Sea C el punto medio de AB. Como el cuadrilátero OAPB es inscriptible, C es el centro del
círculo circunscrito por lo que su lugar geométrico es la mediatriz de OP. Como M es el
simétrico de O respecto a C, su lugar geométrico es una recta homotética de la mediatriz de OP,
con centro de homotecia O y razón OM  2. El lugar del baricentro D del triángulo OAB es
OC
otra recta homotética de dicha mediatriz, con centro de homotecia O y razón OD  2 . El
OC
3
lugar del baricentro E del triángulo PAB es otra recta homotética de la citada mediatriz, con
centro de homotecia P y razón PE  2 .
PC
3
A 54- Por un punto B, situado en el interior de un ángulo XOY, se traza una secante fija ABC y una
secante móvil DBE (A y D están sobre OX; C y E sobre OY). Se circunscribe una circunferencia
al triángulo ABD, y otra al BCE. Halla el lugar geométrico de M, segundo punto de intersección
de estas dos circunferencias.
Solución:
O
D
B
A
X
C
E
M
Y
Sea  el ángulo que forman ambas secantes entre sí; sean  y  los ángulos fijos que forma AC
con OX y OY. Se tiene que AMB    , BMC   − , de donde AMC    . Luego el
lugar pedido es el arco capaz de    sobre AC.
29
A 55- Se da un círculo O y dos diámetros perpendiculares OX, OY. La tangente en un punto
cualquiera P de este círculo encuentra a OX en A y a OY en B. El eje radical de O y del círculo
circunscrito al triángulo AOB, encuentra a OX en C, y a OY en D. Hallar el lugar geométrico
del punto medio M de CD.
Solución:
Y
B
P
D
M
C
O
A
X
aR
. Las rectas AB y CD son antiparalelas con
a − R2
2
relación a XOY. Luego a  OC  aR  OD , DC  OP  R, OC 2  OD 2  R 2 , OC  Ra ,
a2 − R2
2
2
2
R a −R
, OM 2  R , OM  R . Luego el lugar pedido es la circunferencia de
OD 
a
4
2
centro O y radio R .
2
Siendo R el radio de O, y OA  a, OB 
2
A 56- Dado un punto P y una circunferencia O, se traza por P una transversal variable que corta al
círculo en M y N. En cada posición se trazan las circunferencias de diámetros PM y PN, que
cortan a O en M ′ y N ′ . Hallar el lugar geométrico del punto H, intersección de MM ′ y NN ′ .
Solución:
N
O
M
N’
M’
B
A
H
P
H es el centro radical de las tres circunferencias (O, A y B). El eje radical de A y B es la
perpendicular por P a la transversal, que ha de pasar por H. Luego HP 2  HO 2 − R 2 , siendo R
el radio de O. El lugar pedido es una recta perpendicular a PO.
30
A 57- Se dan dos lados opuestos AB y CD de un cuadrilátero, que se cortan en O. El lado AB es
fijo, y el CD gira alrededor de O. Hallar el lugar geométrico de M, punto donde se cortan los
otros dos lados AC y BD, y el de M ′ , punto de intersección de las diagonales AD y BC.
Solución:
O
A
C
M
’
B
M
D
En el triángulo OBD cortado por la transversal ACM, se tiene MD  AB  CO  1. Como
MB AO CD
AB, AO, CO y CD son constantes, se tiene que MD  k, constante. Por tanto MB  1 ,
MB
DB
1−k
por lo que M describe una circunferencia homotética de la descrita por D, con centro de
homotecia B y razón 1 . En el triángulo OBC cortado por la transversal AM ′ D, se tiene
1−k
DC  AO  M ′ B  1. Como DC, DO, AO y AB son constantes, se tiene que M ′ B  q,
DO AB M ′ C
M′C
′
q
BM
′

, por lo que M describe una circunferencia homotética de
constante. Por tanto
1q
BC
q
la descrita por C, con centro de homotecia B y razón
.
1q
A 58- Se da una circunferencia O y un diámetro AB. El punto A es el vértice de un ángulo recto
variable cuyos lados encuentran en C y D a la tangente en B. Por C y D se trazan al círculo las
tangentes CE y DF. Hallar el lugar geométrico del punto M, intersección de estas tangentes.
Solución:
C
r
M
E
O
A
B
F
D
Siendo   ACB  BAD,   ODB, 2  MDB,   OCB, 2  MCB, siendo R el radio de
O y siendo H la proyección de M sobre CBD, se tienen las siguientes relaciones:
2
tan   2R  BD  t, CB  2R , BD  2Rt, CD  2R t  1 , tan   R  1 ,
t
t
BD
CB
2R
2t
2
−
1
t
MH
4t
4t
MH
R
 , tan 2 
 2
, DH  MH 
, tan 2 
 4t 2 ,
tan  
DH
4t
2
CH
CB
4t − 1
4−t
2
2
3t 2  1
8

1
t
4
−
t
, CD  CH  DH  2R
 MH 
, MH  R. Luego el
CH  MH 
t
3
4t
4t
lugar geométrico de M es la perpendicular r a AB, a una distancia de B igual a 8 R.
3
31
A 59- Hallar el lugar geométrico de los puntos A, tales que   AC 2 −   AB 2   2 , siendo B y C
dos puntos fijos dados, y ,  y  tres constantes dadas.
Solución:
A
H
B
M
C
Sean BC  a, H la proyección de A sobre BC, y sea M un punto de BC tal que CM  d. En el
triángulo ABM se tiene AB 2  a  d 2  AM 2 − 2a  dMH. En el triángulo ACM se tiene
AC 2  d 2  AM 2 − 2dMH. Luego se obtiene la siguiente igualdad:
  AC 2 −   AB 2 −  2  d 2  AM 2 − 2dMH − a  d 2  AM 2 − 2a  dMH −  2  0.
Operando:
 − AM 2  MH−2d  2d  2a  d 2  −  − 2da − a 2  −  2  0.
2
a
a 2 
Anulando el coeficiente de MH, se tiene d 
, y por tanto AM 2 

.
2
−
−
 − 
Luego el lugar geométrico pedido es una circunferencia de centro el punto M que está sobre BC
a una distancia d de C, y cuyo radio es AM.
A 60- Demostrar que si se tienen en un triángulo tres rectas antiparalelas iguales, son concíclicos
sus seis puntos de corte con los lados del triángulo. Hallar el lugar geométrico del centro del
círculo.
Solución:
A
M
S
C’
B’
D
N
B
O
P
A’
R
Q
C
Sea el triángulo ABC, y las antiparalelas iguales MS, NP y QR. Los cuadriláteros NPQR,
PQRS, QRSM, RSMN, SMNP, MNPQ son cada uno de ellos inscriptibles en una circunferencia,
por tener sus ángulos opuestos suplementarios (por ejemplo, siendo   NBP,   BNP,
  BPN,       180º, PNR  , PQR      180º − ) . Los círculos circunscritos a
los dos primeros cuadriláteros coinciden, pues están circunscritos al triángulo PQR.
Razonamientos análogos son válidos para los seis cuadriláteros formados, luego los seis puntos
M, N, P, Q, R y S son concíclicos. El centro de estos círculos está definido por las mediatrices
de NP, PQ, QR, NR, etc. y sus sucesivas paralelas, cuyos vértices describen los lados del ABC,
por lo que su lugar es una recta. En el caso en que las antiparalelas sean de longitud nula, este
centro coincide con el circuncentro O del ABC. En el caso en que M y N coincidan en un punto
2
2
C ′ de AB, se tiene que AC ′  2b c 2 , BC ′  2a c 2 , siendo las tres rectas CC ′ , AA ′ , BB ′
a b
a b
b2c
ba 2
ac 2
2
2
2
2
2
2
cevianas, pues a 2 b  a  c2  b  c2  −1, luego el punto D, intersección de estas
−a c
−bc
−ab
a2  b2
a2  c2
b2  c2
cevianas, forma parte del lugar pedido.
32
A 61- Sobre una circunferencia de centro O, se dan dos puntos fijos B y C, y un tercer punto móvil
A. Sea H el ortocentro del triángulo ABC. 1º) Hallar el lugar geométrico del baricentro G del
triángulo OAH. 2º) Hallar el lugar geométrico del pie D de la bisectriz interna del ángulo A de
dicho triángulo. 3º) Determinar A para que la bisectriz AD tenga una magnitud dada.
Solución:
A
M
G
H
D
O
C
B
A’
A’’
P
1º) El ángulo BHC es suplementario del BAC, luego el lugar geométrico de H es el círculo
simétrico del O respecto a BC. El punto medio M de AH, describe el círculo de centro el punto
medio de BC y radio el de O. Por tanto G describe el círculo homotético del que describe M,
con centro de homotecia O y razón OG  2 . 2º) Como DO  OA  k,
DH
OH
3
HA
DO
 k  DO , luego D describe el círculo homotético al que describe H, con
DO  DH
OH
1k
centro de homotecia O y razón OD  k , siendo k  OA . 3º) AD pasa por el punto
OH
AH
1k
medio P del arco A ′ A ′′ (A ′ y A ′′ son los puntos de intersección de AO y AH con la
circunferencia O). Como los triángulos ADH y DOP son semejantes, OD  AD  AH ,
DH
DP
OP
AD  DP  AH  OP , AP  AD AH  OP. Luego dado AD, se conoce AP, y con centro
DH
AD
AH
en P y radio AP se corta O en A (hay otra solución A 1 , simétrica de A con relación a OP).
A 62- En un círculo dado se tiene una cuerda fija AB y otra variable CD que pasa por M, punto
medio de AB. Hallar el lugar geométrico de la intersección de AC y BD.
Solución:
r
C
A
P
M
D
B
La polar de P, punto de intersección de AC y BD, pasa por M. Luego P describe la polar de M,
que es una paralela a AB.
33
A 63- Dados dos círculos O y O ′ , que se cortan en A y B, se traza una secante MAM ′ . Hallar el
lugar geométrico de P, punto medio de MM ′ .
Solución:
r
B
D
O
C
M
A
O’
M’
P
Sea C el punto medio de OO ′ , y D el simétrico de A respecto a C. Se tiene que
OM  OA  O ′ D, O ′ A  O ′ M ′  OD. Siendo   OMA  OAM, MOA   − 2, y siendo
  OAO ′ , O ′ AM ′  O ′ M ′ A   −  − , AO ′ M ′   − 2 −  −   2   − .
En el cuadrilátero AODO ′ , se tiene:
OAO ′  ODO ′  , DOA  DO ′ A  1 2 − 2   − .
2
En el triángulo M ′ O ′ D, se tiene:
DO ′ M ′  2 − AO ′ D − AO ′ M ′  2 −  −  − 2   −   2 − 2 − .
En el triángulo MOD, se tiene: MOD  MOA  AOD   − 2   −   2 − 2 − .
Luego los triángulos MOD y M ′ O ′ D son iguales, pues tienen dos lados iguales, OM  O ′ D y
OD  O ′ M ′ , e iguales los ángulos MOD y M ′ O ′ D. Por tanto DM  DM ′ , por lo que D está en
la mediatriz de MM ′ y DPA  90º. El lugar geométrico de P es el arco capaz de 90º sobre AD,
es decir, una circunferencia de centro C y radio CA  CD.
A 64- Se da un ángulo AVB, de vértice V. Una circunferencia que pasa por V y por un punto dado
P, corta a los lados del ángulo en los puntos A y B. Hallar el lugar geométrico del baricentro del
triángulo VAB.
Solución:
C
A
V
M
D
P
B
Los triángulos PAB, al variar la circunferencia, se mantienen semejantes, puesto que
PAB  PVB, y PBA  PVA. Siendo M el punto medio de AB, los ángulos PMA y PMB son
constantes. La circunferencia PMA corta a VA en el punto C. Se tiene que PCV   − PMA,
luego PCV es constante, y consecuentemente C es fijo. Análogamente, D es fijo. Por tanto,
DMC  DMP  PMC    − PBV  PAC  . Luego M está en la recta CD. El lugar del
baricentro del triángulo VAB, es la recta homotética de CD, con centro de homotecia V y razón
2.
3
34
A 65- Por un punto M interior al ángulo XOY, pasan dos círculos O ′ y O ′′ , inscritos en el ángulo.
Hallar el lugar geométrico de M cuando la suma de los radios de los dos círculos, es constante.
Solución:
Y
V
O’’
M
O’
O
H
C
m
B
A
D
X
Las circunferencias O ′ y O ′′ son tangentes en C y D, respectivamente, a OX. Sus centros están
sobre la bisectriz OV del ángulo XOY. La perpendicular por M a OV es el eje radical de ambas
circunferencias, que corta en A a OX. Luego AC  AD, siendo A el punto medio de CD, por lo
′
′′
que AB  O C  O D . Como esta cantidad se conoce, el punto B es fijo (intersección de OV
2
con la paralela m a OX a la distancia AB). Por B se traza la perpendicular BA a OX. La recta
AH, perpendicular a OV, es el eje radical de O ′ y O ′′ , sobre el que está M. Por tanto el lugar
pedido es la recta AH.
A 66- Por un punto M interior al ángulo XOY, pasan dos círculos O ′ y O ′′ , inscritos en el ángulo.
Hallar el lugar geométrico de M cuando el producto de los radios de los dos círculos, es
constante.
Solución:
Y
O’’
O’
O
D
H
V
B
O’
A
C
O’’
M
O
X
H
D
C
Sea OV la bisectriz de XOY, AH (perpendicular a OV) la raíz cuadrada del producto de los dos
radios, y O ′ D y O ′′ C los radios perpendiculares a OX (los centros O ′ y O ′′ están sobre OV, y C
′
y D son los puntos de tangencia con OX). Luego OH es conocido. Se tiene que O D  OD ,
AH
OH
O ′′ C  OC , y multiplicando las dos igualdades, O ′ D  O ′′ C  OC  OD . Como
AH
OH
AH 2
OH 2
′
2
2
′
′′
O′C  O D  AH , OC  OD  OH , por lo que los círculos O y O son inversos, con centro
de inversión O y potencia OH 2 . Considerando a M como puntos homólogos de una y otra
circunferencia, se tiene OM  OM  OH 2 . Luego OM es constante e igual a OH, sean cuales
sean O ′ y O ′′ , por lo que el lugar de M es el círculo de centro O y radio OH.
35
A 67- Sea un círculo de diámetro AB. Se traza una cuerda CD perpendicular a AB. Por C se traza
una secante que corta a AB en E y al círculo en F. Se traza la tangente en F, que corta en M a la
perpendicular a AB trazada por E. Hallar el lugar geométrico de M.
Solución:
M
D
F
B
A
E
H
G
C
La intersección de DF y AB es H. La polar de H es EM, y DH es la polar de M. Como DH pasa
por un punto fijo D, su polo M describe una recta, que es la polar de D, es decir la tangente
DM.
36
Sección B - RECTAS, ÁNGULOS, TRIÁNGULOS
B 1- Doblando una punta de un cuadrado, se forma un triángulo rectángulo de catetos b y c. Calcular
en función de b y c, las distancias del vértice del nuevo triángulo rectángulo a los lados del
primitivo.
Solución:
O
E
D
AB
C
Se dobla la esquina por BE, pasando el vértice C a ocupar la posición O, siendo OB  b y OE  c,
y se piden las distancias OA y OD. En el triángulo ODE, se tiene que
OD 2  c 2 − c − CD 2  2c  CD − CD 2  2c  OA − OA 2 . De la misma forma, en el triángulo
2
c , OD  2bc 2 .
OAB, se tiene que OA 2  2b  OD − OD 2 . Operando, OA  2b
2
b  c2
b2  c2
B 2- Demostrar que la suma de distancias desde un punto de la base de un triángulo isósceles a los
otros dos lados, es constante.
Solución:
A
N
M
B
C
P
N’
A’
Sea el triángulo ABC, cuyos lados AB y AC son iguales. Sea el triángulo A ′ BC simétrico del ABC
respecto a BC. Y sea P un punto cualquiera de BC, cuyas distancias a AB y AC son PM y PN,
siendo PN ′ el simétrico de PN. Los ángulos BPM, CPN y CPN ′ son iguales por ser
complementarios de PBM  PCN. Luego los puntos M, P y N ′ están alineados, siendo MN ′ la
suma de las distancias de P a los dos lados iguales del triángulo ABC. Como esta distancia
corresponde a la existente entre las paralelas AB y CA ′ , es constante.
B 3- Se dan dos rectas a y b, un punto A sobre la primera y otro M fuera de ellas. Trazar una recta
MXY que corte en X a la recta a, y en Y a la b, de modo que AX  AY.
Solución:
a
A
X
c
Y
b
H
M
El triángulo AXY es isósceles, siendo H el punto medio de su base XY, por lo que está sobre la
paralela media c de a y b. Como AH es perpendicular a XY, H está sobre el arco capaz de 90º sobre
AM. Luego la recta pedida MXY pasa por H, intersección de c con el citado arco capaz.
37
B 4- Encontrar sobre la base BC de un triángulo dado ABC, un punto M tal que trazando por él las
paralelas a los otros dos lados, se obtenga un paralelogramo de perímetro dado.
Solución:
A
E
D
G
C
B
M
F
Sobre AB se lleva AG  p, siendo 2p el perímetro dado. Sobre AC se lleva AF  p. La recta FG
corta a BC en M, que es el punto pedido. En efecto, en el triángulo isósceles AGF, se tiene que
MD  ME  AF  AG  p. Luego AD  DM  ME  EA  2p.
B 5- Dado un triángulo ABC, hallar un punto X sobre AB y otro Y sobre AC, de modo que
XY  BX  CY, siendo XY paralela a BC.
Solución:
A
D
X
Y
B
C
Se trazan las bisectrices BD y CD de ABC y ACB, que se cortan en D, por donde se traza la paralela
XY a BC. Se tiene que XB  XD, YC  YD, luego XY  BX  CY.
B 6- Se dan dos puntos A y B, sobre un lado de un ángulo recto AOC. Hallar sobre el otro lado un
punto C tal que ACB  2  ABC.
Solución:
C
N
Q
O
A
P
M
B
Se traza la mediatriz MQ de AB, y la mediatriz PN de OM. La intersección de PN con la
circunferencia de diámetro AB, determina el punto N, que unido con B, determina el punto C
pedido. En efecto, QBM  QAM, CQA  2  QBM, CQA  ACQ, luego ACB  2  ABC.
38
B 7- Inscribir en un triángulo dado ABC, otro de perímetro mínimo.
Solución:
C’’
H’
C’
B’’
NA
M
H
B
C
BC ′ es el simétrico de BC respecto a AB; B ′′ C ′′ es el simétrico de BC ′ respecto a AC. El triángulo
AB ′′ C ′′ es igual al ABC. Se trata de hallar la mínima distancia HH ′ entre puntos homólogos de BC
y B ′′ C ′′ . En efecto, la mínima distancia entre A y B ′′ C ′′ es AH ′ , y entre A y BC es AH. La recta HH ′
corta a AC en M. El triángulo de perímetro mínimo que se puede inscribir en ABC, con un vértice
en H, es el MHN, de forma que BHN  CHM. El triángulo MHN es el pedido.
Nota: Ver el problema C 27.
B 8- Inscribir en tres rectas paralelas, un triángulo equilátero.
Solución:
m
M
N’’
M’
n
r
A
N’
N
M’’
Sean m, n y r las tres rectas paralelas y se toma un punto A sobre n. Sean AM y AN las distancias de
A a m y r. Con centro A se rotan AM y AN un ángulo de 60º, obteniéndose AM ′ y AN ′ . La
perpendicular N ′ N ′′ a AN ′ , corta a m en N ′′ . Y la perpendicular M ′ M ′′ a AM ′ , corta a r en M ′′ . El
triángulo AM ′′ N ′′ es el pedido.
B 9- Inscribir en tres círculos concéntricos de centro O, un triángulo equilátero.
Solución:
O’
C
O
B
A
O’’
Tomando como centro un punto A cualquiera del círculo central, se rota el círculo interior 60º,
pasando su centro a O ′ y cortando al exterior en B. Rotando el exterior 60º, su centro pasa a O ′′ ,
cortando al interior en C. El triángulo pedido es el ABC.
39
B 10- Dado un ángulo de vértice O, dos puntos A y B, uno en cada lado, y un punto M exterior al
ángulo, trazar por M una recta que corte a los lados del ángulo en E y F, de manera que A, B, E y F
sean concíclicos.
Solución:
B
C
M E
O
G
A
F
Para que sean concíclicos, ha de cumplirse que BAF  BEF y ABE  AFE, siendo las rectas AB y
EF antiparalelas con respecto al ángulo dado. Se lleva el ángulo conocido BAF sobre BCG, siendo
C un punto cualquiera de OB. Trazando por M la paralela MEF a CG, se obtienen los puntos E y F.
B 11- Sobre los lados de un triángulo se construyen cuadrados hacia el exterior del triángulo. Calcular
los lados del triángulo conociendo en magnitud los segmentos MN, PQ y RS (ver figura), que unen
los vértices de los citados cuadrados
Solución:
T
M
A
N
P
S
V
C
B
U
Q
R
Sea ABC el triángulo, y ABMS, ACNP, BCRQ los tres cuadrados, siendo m  MN, n  PQ y
p  RS, los tres segmentos que se conocen en magnitud. Girando 90º las rectas AM, CP y BR, en
torno a A, B y C, respectivamente, sus nuevas posiciones son AT, CU y BV, prolongaciones de BA,
AC y CB. En el triángulo TBC se tiene, por ser A el punto medio de BT, que
2
BC 2  CT 2  2  AC 2  BT , es decir a 2  m 2  2b 2  2c 2 . Similarmente, b 2  n 2  2a 2  2c 2 y
2
2m 2  2n 2 − p 2
2n 2  2p 2 − m 2
c 2  p 2  2b 2  2a 2 .
De
donde
a
,
b
,
3
3
2p 2  2m 2 − n 2
.
c
3
B 12- Se da una recta XY y dos puntos A y B, situados a un mismo lado de la recta. Encontrar un punto
C sobre XY, tal que el ángulo ACX sea doble del BCY.
Solución:
A
B
X
Y
C
O
D
Se obtiene el simétrico O, de B respecto a XY. Se traza la circunferencia de centro O, tangente a
XY. Desde A se traza la tangente AD que corta a XY en C. El ángulo
ACX  DCY  2  OCY  2  BCY.
40
B 13- Se da un triángulo ABC y su circunferencia circunscrita O. Las tangentes en A, B y C, cortan a
los lados opuestos en A ′ , B ′ y C ′ . Demostrar que estos tres puntos están alineados.
Solución:
B’
A’
M
A
B
P
C
N
C’
′
′
′
Hay que deducir que A ′C  C ′ B  B′ A  1 (A). En el triángulo ACA ′ , se tiene
AB CA BC
B ′ A  BC  A ′ M  1 (B). En el triángulo BCB ′ , se tiene A ′ C  MB  AB ′  1 (C). En el
AC
MA
B ′ C BA ′
A ′ B′ MB ′
′
′
B
C
C
A
A C de (C), C ′ B de (D) y B ′ A
MA
′


1
(D).
Tomando
triángulo ABA , se tiene ′ 
CB
B′C
C A MA ′
A′B ′
C ′′ A
′
′
′
C
B

AC

BA
A
C
MB
A
B
de (B) y sustituyéndolos en (A), se tiene: ′  ′  ′ 
. En el triángulo
A B′
CA BC
MB  AB ′  A ′ C
′
BB ′ C cortado por AMA ′ , se tiene: MB  A′ B  AC′  1. De estas dos últimas igualdades, se
MB
A C AB
′
′
′
C
B
C
A
A
B
obtiene: ′  ′  ′  1.
AB CA BC
B 14- Se da un triángulo ABC. En el sentido BA se lleva un segmento BM y otro igual en la
prolongación de AC a partir de C, es decir CN  BM. Probar que BC divide a MN siempre en la
misma relación.
Solución:
A
M
B
C
P
N
En el triángulo AMN cortado por BPC, se tiene BM  CA  PN  1. Como BM  CN,
BA CN PM
PN  AB , que es constante.
PM
AC
B 15- Inscribir en un triángulo ABC dado, otro M ′ N ′ P ′ , semejante a uno conocido MNP, con el vértice
M ′ en BC.
Solución:
A
P’
P’’
N’
B
M’ M’’
P
N
N’’
C
M
Por un punto cualquiera M ′′ de BC, se traza una paralela M ′′ P ′′ a PM. Por P ′′ y M ′′ se trazan
paralelas a PN y MN, respectivamente, que se cortan en N ′′ . La recta CN ′′ corta a AB en N ′ . Las
paralelas por N ′ a NM y NP, determinan M ′ y P ′ .
41
B 16- Inscribir en tres paralelas dadas, un triángulo semejante a uno dado.
Solución:
B
m’
m
n
r
r’
B’
A
A’
C’
B’’
C
Sean las paralelas m, n y r, y sea ABC el triángulo dado. Con centro un punto A ′ de n, se gira m un
ángulo BAC, obteniéndose m ′ . Se traza r ′ , paralela a r y tal que las distancias de A ′ a r y r ′ estén en
la relación AC ; m ′ y r ′ se cortan en B ′′ . Se deshace el giro de r ′ , pasando B ′′ a B ′ sobre m. Se lleva
AB
el ángulo BAC sobre B ′ A ′ C ′ , obteniéndose C ′ . El triángulo A ′ B ′ C ′ es el pedido.
B 17- Se dan dos rectas AX y AX ′ . Sobre la primera hay un punto fijo B, y sobre la segunda otro punto
fijo C. Trazar por un punto fijo P, una recta que corte en M a AX, y en M ′ a AX ′ , de modo que
BM  CM ′ tenga una longitud dada k.
Solución:
X’
P
M’2
C
A
M’4
M’3
M’1
M’D
M’’1
B
M’’4 M’’3
M1 M2
X
MD M3
M4
M’’2
Se toman sobre AX una serie de puntos M 1 , M 2 , ... y sobre AX ′ la serie M ′1 , M ′2 ,... de forma que
BM 1  CM ′1  k, etc. Se proyecta desde P y sobre AX, la serie de puntos situados en AX ′ ,
obteniéndose la serie M ′′1 , M ′′2 ,...El punto doble M D de las dos series situadas sobre AX (M 1 , M 2 ,... y
M ′′1 , M ′′2 ,...), da la recta solución PM ′D M D .
B 18- Inscribir en un segmento circular dado, un triángulo equilátero con un vértice en un punto A
dado, situado sobre la cuerda, y los otros dos sobre el arco
Solución:
B H C
M
A
N
O
Sea el círculo dado de centro O, y MN la cuerda que determina el segmento circular. Supuesto
resuelto el problema, sea ABC el triángulo pedido. El círculo de centro A y radio AB  AC  BC,
corta al arco del segmento en B y C. El eje radical de los dos círculos es la cuerda común BC,
perpendicular a OA en H, punto medio de BC, estando alineados O, A y H. Por tanto, llevando a
uno y otro lado de AH (altura y bisectriz correspondientes al vértice A) un ángulo de 30º, se
obtienen B y C.
42
B 19- Dadas dos rectas a y b, que se cortan fuera de los límites del dibujo, trazar por un punto dado C,
una recta c que concurra con las dos citadas.
Solución:
A
A’
a
C’
c
C
b
B’
B
Tomando dos puntos cualesquiera A y B, situados respectivamente en a y b, se tiene el triángulo
ABC. Por un punto cualquiera A ′ de a se trazan las paralelas A ′ B ′ y A ′ C ′ a AB y AC. Por B ′ se traza
la paralela B ′ C ′ a BC, obteniéndose C ′ . La recta CC ′ es la recta c pedida.
Nota: Ver el problema D 2.
B 20- Dado un triángulo ABC, se construyen los triángulos BCL, CAM y ABN, directamente
semejantes entre sí. Determinar la posición relativa de los baricentros de los triángulos ABC y
LMN.
Solución:
A
N
M
C’
B
G
C
A’
L
Sean G, G ′ , G ′′ y G ′′′ , los baricentros de los triángulos ABC, LBC, LMC y LMN. Las medianas AA ′
y LA ′ están divididas por G y G ′ en la razón 2  1, siendo GG ′ paralela a AL e igual a AL . Por
3
tanto, se pasa del baricentro del ABC al del LMN, por medio de la quebrada GG ′ G ′′ G ′′′ , cuyos
lados son paralelos a AL, BM, CN, e iguales a sus terceras partes. G ′′′ coincidirá con G, si AL, BM
y CN son iguales y paralelas a los lados de un mismo triángulo. Como AL, BM y CN son
proporcionales a AB, BC y CA, estando igualmente inclinadas sobre estos lados, representan en
magnitud y dirección los lados de un triángulo semejante al ABC. Por tanto los baricentros del
ABC y del LMN coinciden.
B 21- Siendo ABCD  A ′ B ′ C ′ D ′ , demostrar que AB ′ CD
 AC ′ DB
 AD ′ BC
 0.
′
′
′
AB
AD
1 − 1
′ ′
′ ′
′ ′
C
C
BC
B
AC
A
A
B
A ′ D ′ . Luego
′ ′ ′ ′
:
 A B C D   ′ ′ : ′ ′ 
Solución:
ABCD 
BD
1 − 1
AD
AD
BD
A′B′
A′C′
1 AC  BD − AD  BC  AD  BC − AC  BD  0. Cambiando de signo y teniendo en
A′B′
A′C′
A′D′
cuenta que AD  BC − AC  BD  AB  DC, queda demostrado.
43
AC
B 22- Dado el triángulo ABC, trazar una recta que corte a AB en X, y a AC en Y, de forma que se tenga
que BX  XY  YC.
Solución:
A
Y
X
F
G
J
C
H
B
Sobre CA se toma una distancia cualquiera CF y se traza la paralela FG a CB. Con radio BJ  FC,
con centro J, se traza un arco que corta a FG en G. Se traza GH, paralela a FC. La poligonal BJGH
es equilátera por construcción. Uniendo B con G, se obtiene Y. La paralela por Y a GJ determina X.
B 23- Dadas cuatro rectas concurrentes a, b, c y d, trazar una secante que las corte respectivamente en
A, B, C y D, de forma que AB  CD.
Solución:
O
A
a
B
F
f
C
b
D’
D
c
e
c’
d
Suponiendo resuelto el problema, se traza por A la secante e, que corta a b, c y d, en B, C y D. Por
O, punto de concurrencia de las cuatro rectas dadas, se traza f, paralela a e, y se lleva OF  AB. Se
traza por F la paralela c ′ a c, que corta en D ′ a d. Si CD  AB  OF, D y D ′ se confundirían. Por
tanto se tienen sobre d dos series proyectivas D,... D ′ ,..., cuyos puntos dobles representan la
solución.
B 24- Inscribir en tres rectas paralelas dadas, un triángulo rectángulo de área dada k 2 .
Solución:
a’
a
b
B
O
c
C
B’
Sean a, b y c las paralelas dadas, y sea OBC el triángulo pedido. Con centro O se gira a un ángulo
de 90º, obteniéndose a ′ . El punto B se sitúa en B ′ , teniéndose OC  OB ′  2k 2 . Luego B ′ es el
inverso de C con centro O y potencia 2k 2 . El inverso de c es una circunferencia que pasa por O, y
corta a a ′ en B ′ , alineado con OC. Se deshace el giro, pasando a ′ a a, y B ′ a B, obteniéndose el
triángulo OBC.
44
B 25- Inscribir en un triángulo dado ABC, un semicírculo tangente a BC en un punto dado M de BC, y
con los extremos L y N del diámetro LON, sobre AB y AC.
Solución:
A
L
M’’
O
N
N’’
B
C
M
O’
L’’
L’
M’
Suponiendo resuelto el problema, sea CL ′ M ′ la recta simétrica de AB respecto a M. El ángulo
NML ′ es recto por serlo el LMN, y L ′ N es perpendicular a BC. Siendo M ′′ la intersección de OM
con AC, hay que inscribir en el triángulo M ′ M ′′ C, un triángulo rectángulo con su hipotenusa
paralela a M ′ M ′′ , siendo M el vértice opuesto. Para ello se traza N ′′ L ′′ , una paralela cualquiera a
MM ′ . Se traza la circunferencia de centro O ′ , punto medio de N ′′ L ′′ . Se une M con O ′ , y donde esta
recta corta a la citada circunferencia, será el vértice O ′′ del ángulo recto N ′′ OL ′′ . Desde M se trazan
las paralelas MN y ML ′ a sus catetos. Se obtiene L, simétrico de L ′ respecto a M. El punto de
intersección de LN y MM ′ , es el centro O de la semicircunferencia pedida, cuyo radio es
OM  ON  OL.
B 26- Demostrar que en un triángulo ABC, la simediana de A y la tangente en A al círculo circunscrito,
forman un haz armónico con los lados AB y AC.
Solución:
A
C’
B
M
D
M’
C
E
B’
Sea AM la simediana, y AE la tangente. El simétrico del ABC respecto de la bisectriz AD del
ángulo BAC, es el triángulo AB ′ C ′ , coincidiendo la simediana AM con la mediana AM ′ del AB ′ C ′ .
Al ser AE y BC antiparalelas del BAC, AE y B ′ C ′ son paralelas, por lo que B ′ C ′ queda dividido en
dos partes iguales por AMM ′ , luego el haz A, CBME es armónico.
45
B 27- Demostrar gráficamente que de todos los triángulos de igual perímetro, el equilátero es el de
área máxima.
Solución:
D
A
E
A’
B
H
C
H’
Primero se demuestra que de todos los triángulos que tienen la misma base y el mismo perímetro,
el isósceles es el de mayor superficie. Sean los triángulos ABC y A ′ BC con la misma base BC y el
mismo perímetro, pues BA  AC  BA ′  A ′ C, siendo isósceles el primero AB  AC. Se
prolonga BA, de forma que AD  AC, formándose el triángulo BDC, cuyo ángulo en C es recto,
pues siendo AB  AD  AC, se puede describir sobre BD una circunferencia con centro en A,
pasando por B, C y D. Se deduce la siguiente desigualdad, A ′ B  A ′ D  AB  AD, es decir
A ′ B  A ′ D  AB  AC. Y como A ′ B  A ′ C  AB  BC, se obtiene que A ′ D  A ′ C. Trazando AE,
perpendicular sobre CD, siendo E el punto medio de CD, se deduce que A ′ está situado entre las
paralelas AE y BC, por lo que AH  A ′ H, es decir que el isósceles tiene la mayor altura y por tanto
la mayor superficie. Entre todos los triángulos de igual perímetro, el equilátero es el de área
máxima porque es isósceles sobre cualquiera de los lados que se tome como base.
B 28- Dadas dos circunferencias O y O ′ , que se cortan en A, inscribir un triángulo ABC, con el vértice
B sobre la primera, y el C sobre la segunda, semejante a uno dado.
Solución:
A
O
O’
B
N
M
C
Se lleva el ángulo central AOM igual a dos veces el B, y el AO ′ N igual a dos veces el C. La recta
MN corta a O en B, y a O ′ en C, siendo ABC el triángulo pedido, pues ABC  AOM  B, y
2
′
ACB  AO N  C.
2
46
B 29- Probar que el circuncentro O, el ortocentro H, el baricentro G y el centro O 9 del círculo de los
nueve puntos, de un triángulo, están en línea recta y forman una cuaterna armónica.
Solución:
A
C’
O
B
B’
G H
C
a
A’
Sea el triángulo ABC. Se trazan por A, B y C, las paralelas a los lados opuestos, obteniéndose el
triángulo A ′ B ′ C ′ . Los dos triángulos, ABC y A ′ B ′ C ′ , son semejantes con razón −2 y centro de
semejanza G, baricentro de ambos. La recta AGaA ′ es mediana de ABC y de A ′ B ′ C ′ , siendo a el
punto medio de BC. La mediatriz Oa de BC es paralela a AH. Como H, ortocentro del ABC, es el
circuncentro del A ′ B ′ C ′ , se tiene AH  2  Oa. Luego GO  GH , y OH  3  OG, estando O
2
alineado con G y H. El círculo de los nueve puntos tiene su centro O 9 en el punto medio de OH,
luego está alineado con OGH, y O 9 H  OH  3  OG , de donde O 9 G  GH − HO 9  GO .
2
2
2
O
OG
9G
1
−1
Por tanto OO 9 GH 



 −1.
O9H
OH
3
3
B 30- Se dan dos rectas a y b, y dos puntos M y N fuera de ellas. Trazar dos rectas MA y NB, que
forman entre sí un ángulo dado, conociendo la relación MA  k, y sabiendo que A y B son puntos
NB
de a y b, respectivamente.
Solución:
a’’’
B
A
a
a’
A’’
M
a’’
A’
b
N
Supuesto resuelto el problema, se traslada M a N, con lo que a pasa a a ′ , y A a A ′ . Se gira NA ′ el
′′
ángulo BNA ′ , con lo que A ′ pasa a A ′′ y a ′ a a ′′ . Como NA ′′  MA, se tiene que NA  k. Luego
NB
se trata de encontrar en el ángulo formado por b y a ′′ , dos puntos B y A ′′ , cuya relación de
distancias a N sea conocida, para lo cual se multiplica a ′′ por la relación, obteniéndose a ′′′ , que
corta a b en B. Uniendo B con N se obtiene A ′′ . Deshaciendo el giro y la traslación, el problema
queda resuelto, al pasar NA ′′ a MA.
47
B 31- Por un punto dado P, trazar una recta que corte a tres rectas dadas, a, b y c, de tal manera que
los tres puntos de intersección y el punto dado, formen una cuaterna armónica.
Solución:
A
B
N
D
c
d
P
M
C a
b
Las rectas b y c se unen en A. Se une A con P, y se halla d, rayo conjugado armónico de AP
respecto de b y c, que corta a a en D. PD es la recta pedida, pues el haz A, PDMN  −1,
estando D en a y d. Se obtienen otras dos soluciones, uniendo P con B y C.
B 32- Se da una proyectividad de bases superpuestas, definida por A1, A ′ 2; B2, B ′ 3; C3,
C ′ 4. Hallar los puntos dobles.
Solución: Analíticamente se tiene que 1, 2, 3, x  2, 3, 4, y , es decir:
3 − 1  3 − 2  4 − 2  4 − 3 . De donde y  x  1. Se trata de una traslación, estando los
x−2
y−3
x−1
y−2
puntos dobles en el infinito.
B 33- Definida una proyectividad entre haces superpuestos, encontrar dos rayos homólogos que
formen un ángulo dado.
Solución:
V
A
A’
N
M
e
M’
Suponiendo el problema resuelto, sean VM y VM ′ los dos rayos homólogos que forman entre sí el
ángulo dado. Se ha dibujado el eje de colineación e, dos rayos homólogos VA y VA ′ , las rectas AM ′
y A ′ M que se cortan en N, sobre e, y una circunferencia que pasa por V. El ángulo
arco AVA ′  arco MM ′
ANA ′ 
es conocido, luego el arco capaz de este ángulo sobre AA ′ corta
2
al eje de colineación en N y en otro punto, que son las dos soluciones del problema.
B 34- Inscribir un triángulo en una circunferencia dada, de tal forma que cada lado pase por un punto
dado.
Solución:
P
M
A1
C’
A’
B’
N
El problema se resuelve por falsa posición en tres ensayos. Sean M, N y P los tres puntos dados.
Se toma un punto A ′ en la circunferencia. La recta A ′ N corta al círculo en B ′ . La recta B ′ P corta al
círculo en C ′ . La recta C ′ M corta al círculo en A 1 . Para que A 1 fuera la solución, MA ′ y MA 1
habrían de coincidir. Entre A ′ y A 1 se ha establecido una proyectividad, pues la correspondencia es
biunívoca, y se pasa de uno a otro mediante un número finito de proyecciones y secciones. Los
puntos dobles de la proyectividad definida, determinan la solución.
48
B 35- Trazar entre dos rectas paralelas a y b, perpendicularmente a ellas, un segmento que sea visto
desde un punto exterior dado P, bajo ángulo máximo.
Solución:
a
A
R
M
A’
O
c
b
S
N
B
S’
B’
R’
P
Sea c la paralela media de las dos dadas, y sea AB una posición cualquiera del segmento definido
en el enunciado. El círculo que pasa por A, B y P, corta a a y b en otros dos puntos A ′ y B ′ . Los
ángulos APB y A ′ PB ′ son diferentes. Por tanto, para cada posición de AB se obtiene otra A ′ B ′ , de
forma que ambas subtienden ángulos diferentes vistos desde P. Aplicando el teorema de Rolle,
cuando estos dos ángulos sean iguales, se obtendrá un ángulo extremo, máximo o mínimo. En este
caso, el ángulo mínimo es nulo, y viene dado por la posición PMN. El ángulo es máximo en los
casos RR ′ y SS ′ , simétricos respecto a MN y determinados por el círculo de centro O, punto de
corte de MN con c, y que pasa por P.
B 36- Se da un triángulo ABC y se considera el círculo inscrito tangente a BC en D. Por un punto
cualquiera A ′ de BC, se traza la tangente A ′ M al citado círculo. La recta AM encuentra a BC en D ′ .
′
′ 2
Demostrar que DB  D′ B  A′ B 2 .
DC D C
AC
Solución:
N
A
P
M
B
D
A’
D’
C
Se cortan las cuatro tangentes BA, CA, BC y A ′ M, por las rectas A ′ M y BC, teniéndose que
NPA ′ M  BCDA ′ , siendo N y P las intersecciones de A ′ M con AB y AC, respectivamente.
Proyectando la primera cuaterna desde A y cortando por BC, se tiene BCA ′ D ′   BCDA ′ .
′
′ 2
Desarrollando: DB  D′ B  A′ B 2 .
DC D C
AC
49
B 37- Se da un ángulo XOY y un punto P fuera del ángulo, por el que se traza una secante variable
PAB, que encuentra a OX en A, y a OY en B. Trazar la secante PAB, de forma que el producto
PA  PB sea mínimo.
Solución:
B Y
T
A
S
O
C
X
P
Considerando el producto PA  PB  m, la inversa de OX con relación a P, es una circunferencia
que pasa por P y por B, inverso de A. Esta circunferencia corta a OY en dos puntos. Cuando sea
tangente a OY, el producto será mínimo. Por tanto ha de trazarse una circunferencia con centro en
la perpendicular por P a OX, tangente en P a CP (paralela a OX por P), que será tangente a OY en
T, siendo CT  CP. La recta PT es la solución.
Nota: El triángulo TOS es isósceles (OT  OS), por ser semejante al TCP. Por tanto otra forma de
construir la solución, consiste en trazar por P la paralela CP a OX, que corta en C a OY. Se lleva
CP sobre OY, obteniéndose T.
B 38- Se da un triángulo ABC y su circunferencia circunscrita. Por un punto cualquiera D de esta, se
traza una transversal que corta a los lados en a, b y c, y a la circunferencia en d. Hallar la relación
que liga las dos cuaternas anarmónicas ABCD y abcd.
Solución:
A
D
c
d
b
B
C
a
E
Proyectando ABCD desde d, y cortando por BC, se tiene: ABCD  d, ABCD  EBCa.
Cortando el haz A, EBCa
por BC y por Dd, se tiene: EBCa  dcba. Luego
ABCD  dcba  abcd.
B 39- Demostrar que en todo triángulo ABC, el cuadrado de la distancia del circuncentro O, al
2
2
2
baricentro G, viene dado por la expresión OG 2  R 2 − a  b  c , siendo R el radio del círculo
9
circunscrito y a, b y c, los lados del triángulo.
Solución:
A
G
H
O
B
M
C
Siendo M el punto medio de BC, se tiene: OM 2  OG 2  GM 2 − 2  GM  GH,
OA 2  OG 2  AG 2  2  AG  GH. Sumando el doble de la primera igualdad con la segunda:
2  OM 2  OA 2  3  OG 2  AG 2  2  GM 2  2  AG  GH − 4  GM  GH. Siendo OA  R,
2
2
2
2
OM 2  R 2 − a , AG − 2  GM  0 y AM 2  m 2  2b  2c − a , se tiene:
4
4
2
2
2
2
a
2m
m
2
2
3R −
 3  OG 
2
 2  GHAG − 2  GM  3  OG 2  2m .
2
3
3
3
2
2
2
Luego, OG 2  R 2 − a  b  c .
9
50
B 40- Dado un triángulo ABC y un punto P, se pide trazar por P dos rectas tales que los puntos medios
de los segmentos determinados por ellas sobre los lados AB y AC, coincidan con los puntos medios
de dichos lados.
Solución:
A
a
P
b
C’
a1
B’
b’
b’’
B
C
Sean C ′ y B ′ , los puntos medios de AB y AC, y sea a un punto sobre AB. Sea a 1 su simétrico
respecto de C ′ . La recta Pa corta en b a AC, y Pa 1 en b ′′ . Sea b ′ el simétrico de b respecto de B ′ . Se
forman dos series proyectivas b ′ , b ′′ , cuyos puntos dobles dan la solución. Existe proyectividad,
ya que hay correspondencia biunívoca entre b ′ y b ′′ , y se pasa de un punto al otro mediante un
número finito de proyecciones y secciones.
B 41- Demostrar que si dos puntos P y P ′ , isogonales conjugados respecto de un triángulo ABC, están
sobre un mismo diámetro del círculo circunscrito O, el círculo circunscrito a los triángulos
podarios, es tangente al círculo de los nueve puntos.
Solución:
r1
A
r2
F
Q’
Q C’
X
P
N
B’
O
N’
P’
X’
A’
B
M
M’
C
Y
Y’
Sean A ′ , B ′ y C ′ los puntos medios de BC, AC y AB. Sean X e Y los extremos del diámetro de O,
que pasa por P y P ′ , siendo R el radio del círculo circunscrito. Las proyecciones de P y P ′ sobre
los lados del ABC son M y M ′ sobre BC, N y N ′ sobre AC, y Q y Q ′ sobre AB. Las rectas de
Simson de X e Y, r 1 y r 2 , son perpendiculares entre sí y se cortan sobre un punto F del círculo de
′ ′
′ ′
los nueve puntos (ver el problema A 52). Se tiene OX  A ′X , OY′  A′ Y ′ y sus análogas.
OP
A M ′OP
AM ′ 2
R2
A ′ X ′2
A Y ′2
AF
Multiplicando: OX  OY′ 




′
′
′ ′
′
′ ′
′
OP

OP
OP

OP
A
M

A
M
A
M

A
M
A
M
 A′M′
′ 2
′ 2
 ′ B F ′ ′  ′ C F ′ ′ . Los denominadores son las potencias de A ′ , B ′ y C ′ respecto del
BNBN
CQCQ
círculo podario, que pasa por los seis puntos M, M ′ , N,... El círculo de los nueve puntos, sobre el
que están A ′ , B ′ y C ′ , se confunde con el lugar geométrico de los puntos cuya razón de potencias
R2
respecto al círculo podario y al círculo F, es constante e igual a
y tiene el mismo eje
OP  OP ′
radical que estos dos. Como el círculo F se reduce a su centro situado en el círculo de los nueve
puntos, este y el podario son tangentes entre sí.
51
B 42- Se dan tres rectas coplanarias OX, OY y OZ. En el ángulo YOZ se han trazado dos transversales
AB y CD que se cortan en E (A y C están sobre OY; B y D sobre OZ). Por los puntos A, C, B y D,
se levantan perpendiculares a OY. Las correspondientes a A y C, cortan a OX en A ′ y C ′ . Las
correspondientes a B y D, cortan a OY, en B ′ y D ′ . Las rectas A ′ B ′ y C ′ D ′ , se cortan en M.
Demostrar que la recta que une M con E es perpendicular a OY.
Solución:
C’
X
A’
O
B’
D’
C
A
Y
M
B
E
D
Z
F
Los triángulos C ′ DC y A ′ AB son homológicos, ya que sus lados se cortan en puntos de la misma
recta EF. Como AA ′ es paralela a CC ′ y perpendicular a OY, el eje de homología ha de ser EF,
perpendicular a OY y paralela a AA ′ y CC ′ . El eje de homología de C ′ D ′ D y A ′ B ′ B es MF, paralela
a DD ′ y BB ′ , y perpendicular a OY. Luego EF y MF son perpendiculares trazadas desde el punto F
a una misma recta, por lo que ambas rectas coinciden en una sola recta MEF, perpendicular a OY.
B 43- Sobre una recta ilimitada XY, se mueve un segmento MN de longitud constante. Se dan dos
puntos fijos A y B, fuera de la recta. Se trazan AM y BN, que se cortan en C. Estudiar las
variaciones del ángulo ACB.
Solución:
B
A
X
M
N
Y
C
Desplazando el segmento MN desde el infinito (a la izquierda del dibujo), el ángulo C va
aumentando desde el valor nulo hasta un cierto valor máximo, a partir del cual vuelve a disminuir,
hasta anularse en el infinito (a la derecha del dibujo). El valor máximo se produce cuando el
triángulo MCN es isósceles, es decir cuando la abscisa de C coincide con la del punto medio de
MN.
52
B 44- Se dan tres puntos alineados A, B y C, y otros tres puntos A ′ , B ′ y C ′ sobre una segunda recta.
Las rectas BC ′ y CB ′ se cortan en a, las rectas CA ′ y AC ′ en b, las rectas AB ′ y A ′ B en c. Demostrar
que a, b y c están alineados.
Solución:
C
B
A
c
O
N
e
a
b
d
M’
A’
B’
C’
La recta abc recibe el nombre de eje de colineación, y solo depende de la proyectividad y no del
par de puntos elegidos como vértices de los haces. El punto de intersección O de las dos rectas
puede considerarse como de las dos bases, en un caso el punto homólogo es N y en el otro caso es
M ′ . Luego el eje de colineación pasa por los puntos original e imagen del punto O, común a las dos
bases, por lo que es fijo Tomando como centros de proyección los puntos B y B ′ , los rayos BC ′ y
B ′ C se cortan sobre el eje de colineación, por lo que a, b y c están alineados. Otra demostración es
la siguiente: Se proyecta desde C ′ la cuaterna A ′ ABC y se corta por CA ′ y por CB ′ , obteniéndose
respectivamente A ′ beC y B ′ daC. Proyectando la primera desde A, y la segunda desde B, se
tienen los haces B, A ′ beC y A, B ′ daC que tienen la misma razón doble y un rayo homólogo
común (BC y AC), luego los otros pares de rayos homólogos se cortan en puntos alineados. Los
puntos de corte son c, b y a.
B 45- Sobre la base BC de un triángulo ABC, se toma un punto cualquiera M, y se trazan las paralelas
MB ′ y MC ′ a los lados AB y AC respectivamente, estando B ′ y C ′ sobre dichos lados. La recta que
une A con P, punto de intersección de las cevianas BB ′ y CC ′ , corta a BC en M ′ . Hallar el valor de
′
la expresión M′ B  MC .
M C MB
Solución:
A
B’
C’
B
P
M’ M
C
′
′
′
Considerando las cevianas AM ′ , BB ′ y CC ′ , se tiene: M′ B  B ′C  C ′ A  −1. Por construcción
MC BA CB
B ′ C  MC , y C ′ A  MC . Luego M ′ B  −MB 2 . Por tanto M ′ B  MC  −MB
MB
MB
MC
M′C
M ′ C MB
B′A
C′B
MC 2
53
B 46- Demostrar que en todo triángulo la suma de los cuadrados de las distancias del centro del
círculo circunscrito a los centros de los cuatro círculos inscrito y exinscritos, vale doce veces el
cuadrado del radio del círculo circunscrito.
Solución:
C
V
O
Ia
P
M
Q
I
T
A
B
Sea ABC el triángulo de perímetro 2p  a  b  c; sea O el centro del círculo circunscrito de radio
R  OA  OB  OC; sea I el centro del círculo inscrito de radio r  IP  IT; sea I a el centro del
círculo exinscrito en el ángulo A, de radio r a  QM  I a V; sea M la intersección de BC con OQ; y
sean d  IO, BT  p − b, MC  a , BV  p − c y d a  OI a .
2
abc
 abc , siendo S el área del triángulo;
Son fórmulas usuales: R 
4S
4 pp − ap − bp − c
S .
r  Sp  abc ; S  pp − ap − bp − c ; r a  p −
a
4pR
2
2
2
a
a
2
2
2
En el triángulo IOP, se tiene: d  IO 
−pb  r− R −
 R 2 − 2rR.
2
4
2
2
2
En el triángulo I a OQ, se tiene: d 2a  I a O 2  p − c − a
 ra  R2 − a
 R 2  2r a R.
2
4
Luego,
1
1
1
d 2  d 2a  d 2b  d 2c  4R 2  2Rr a  r b  r c − r  4R 2  2RS 1
p  p−a  p−b  p−c 
 4R 2  2RS abc
 4R 2  8R 2  12R 2 .
S2
B 47- Se consideran los centros O a , O b y O c de las circunferencias exinscritas en el triángulo ABC.
Demostrar que las perpendiculares bajadas desde dichos centros sobre los lados BC, AC y AB,
respectivamente, concurren, y que este punto de concurrencia es colineal con el incentro y el
circuncentro. Hallar la relación de distancias existentes entre estos tres puntos.
54
Solución:
Oc
B
A
P
O
R
T
I
S
Oa
Ob
C
El triángulo O a O b O c es semejante al ABC. Siendo P el centro del círculo circunscrito al triángulo
O a O b O c , O el del circunscrito al ABC, I el del inscrito al ABC, se tiene: AO b P  AO c P  A ,
2
BO c P  BO a P  B . Luego las tres perpendiculares enunciadas, coinciden en P. Siendo O a A
2
perpendicular a O b O c , I es el ortocentro de O a O b O c . El punto medio T de BC, lo es también de RS,
luego las perpendiculares por los puntos medios de los lados, se cortan en O, punto medio de PI,
estando los tres puntos alineados y siendo OP  −1.
OI
B 48- Sean a, b y c, los pies de las alturas del triángulo ABC. Las rectas BC y bc se cortan en a ′ , AC y
ac en b ′ , y AB y ab en c ′ . Demostrar que a ′ , b ′ y c ′ , están alineados y determinar la posición de
dicha recta respecto a la que une el ortocentro H con el circuncentro O del triángulo ABC.
Solución:
A
c
b
B
a
c’
C
a’
b’
′
′
′
BCaa ′   −1, ACbb ′   −1, ABcc ′   −1. Luego aC  −a′ C , bA  −b′ A , cB  −c′ B ,
aB
a B bC
b C cA
cA
aC  bA  cB  −1  −a ′ C  −b ′ A  −c ′ B , por lo que a ′ , b ′ y c ′ están alineados. Se traza el
aB bC cA
a′B
b′C
c′A
círculo de los nueve puntos que pasa por a, b y c, cuyo centro es O 9 . La recta que une el ortocentro
H y el circuncentro O, pasa por O 9 . La recta a ′ b ′ c ′ es la polar de H respecto al círculo O 9 , pues
cbHa ′   −1. Luego la recta HO es perpendicular a la recta a ′ b ′ c ′ .
55
B 49- Determinar en el interior de un triángulo dado ABC, un punto D tal que las paralelas trazadas
por él a los lados del triángulo y limitadas por estos, sean iguales.
Solución:
A
P
R
D
M
B
Q
N
S
T
C
Las paralelas a los lados trazadas por D, delimitan tres triángulos semejantes al dado, con razones
BQ  QS  ST
,
de semejanza m, n y p, de tal forma que m  MN 
a
BC
PQ
QC
QS  ST  TC
BQ

QS
n
 a 
,
p  RS  BS
.
Luego
a
a 
a
AB
AC
2BQ  3QS  2ST  TC
mnp 
, y como QS  TC, m  n  p  2a
a
a  2. En el punto
1
buscado, MN  PQ  RS, luego MN  am  bn  cp, y por tanto MN a  1  1c  2, con
b
2abc
lo que MN  PQ  RS 
, quedando definido el punto D.
ab  bc  ca
B 50- Se dan tres puntos en línea recta O, A y A 1 . Sea A 2 el conjugado armónico de A 1 respecto a OA,
A 3 el de A 2 respecto a OA 1 ,..., A n el de A n−1 respecto a OA n−2 . Demostrar que el conjugado de A 1
respecto a OA n−1 coincide con el de A n respecto a OA. Calcular el segmento OA n en función de
OA 1 , OA y n.
Solución: Tomando como origen de las abscisas el punto O, sea a la abscisa de A, a 1 la de A 1 , ...,
1
1
2
1
1
a n la de A n . Por definición de conjugado armónico, se tiene: 2
a  a1  a2 , a1  a2  a3 ,
2
1
1
2
1
1
2
1
1
2
1
1
a 2  a 3  a 4 , ..., a n−4  a n−3  a n−2 , a n−3  a n−2  a n−1 , a n−2  a n−1  a n . Sumando
1
2
1
miembro a miembro las anteriores igualdades y simplificando, se tiene 2
a  a 1  a n−1  a n , es
decir 2a − a1n  a 2n−1 − a11 , luego queda demostrado que el conjugado armónico de A n respecto
a OA, es el mismo que el de A 1 respecto a OA n−1 . Considerando U n  a1n , se tiene:
2  1  2U n−1  U n  2U n−2  U n−1 , es decir U n  U n−1 − 2U n−2  0, siendo la ecuación
a
a1
característica de esta recurrencia x 2  x − 2  0, cuyas raíces son 1 y −2, luego
1
U n  A  1 n  B−2 n  A  −1 n B  2 n . Aplicando este resultado para U 0  1
a , U1  a1 ,
3
U 2  2a − a11 , U 3  −2
a  a 1 (valores obtenidos aplicando la ecuación de recurrencia anterior),
2  −2 n
1 − −2 n
se tiene U n  a1n 

.
3a
3a 1
3aa 1
1

.
Luego, a n 
1 − −2 n
2  −2 n
1 − −2 n a  2  −2 n a 1

3a
3a 1
56
B 51- Dado un triángulo ABC, dividirlo en dos partes equivalentes mediante una recta paralela a una
dirección dada.
Solución:
A
E
B
F
M
D
C
Sea DE la recta buscada y AM la mediana correspondiente al lado BC. Los triángulos AMC y DEC
tienen igual área, que es proporcional a los productos de los lados del ángulo común C. Luego
DC  EC  AC  MC, AC  DC . Trazando por A la paralela AF a la dirección dada, se tiene
EC
MC
AC  FC . Luego DC  FC , DC 2  MC  FC, por lo que DC es conocido.
EC
DC
MC
DC
B 52- Dado un triángulo AOB, rectángulo en O, y sean AA ′ y BB ′ las bisectrices interiores de los
ángulos A y B (A ′ y B ′ son los pies de las bisectrices sobre los lados opuestos). 1º) Demostrar que
los círculos de centro A ′ y B ′ y que pasan por O, son tangentes a AB. 2º) Demostrar que las rectas
AB, A ′ B ′ y la bisectriz exterior de AOB, concurren en un punto S. 3º) Deducir de las propiedades
anteriores, la construcción de un triángulo AOB, rectángulo en O, conociendo las distancias
OA ′  a y OB ′  b, y la del vértice O a los pies de las bisectrices interiores de los ángulos agudos.
4º) Suponiendo a  b, hallar la relación que debe existir entre a y b, para que el problema sea
posible.
Solución:
S
A
D
C
B’
A’
O
B
1º) Considerando la bisectriz AA ′ y la perpendicular A ′ C sobre AB, se tiene que O, A, A ′ y C, son
concíclicos, y como OAA ′  A ′ AC, los triángulos OAA ′ y AA ′ C son iguales, por lo que OA ′  A ′ C.
Análogamente, B ′ O  B ′ D. 2º) El triángulo AOB y el formado por dos de sus bisectrices interiores
y una exterior, son homológicos, luego los puntos de intersección A ′ , B ′ y S, de lados homólogos
están alineados. 3º) Se traza el triángulo A ′ OB ′ , rectángulo en O, y las circunferencias de centro A ′
y B ′ , y radios A ′ O y B ′ O. La tangente común CD coincide con AB, que pasa por S, donde
concurren A ′ B ′ y la bisectriz exterior SO de A ′ OB ′ . 4º) Si a  2b, la tangente común AB es paralela
a OA ′ , luego el punto B está en el infinito. Para que el problema sea posible b  a  2b.
57
B 53- Una serie de triángulos se caracterizan por tener un lado AB común e igual el ángulo C opuesto
a dicho lado. Se traza una circunferencia O, de radio R, y que pasa por A y B. En cada uno de los
triángulos de la serie se prolongan los lados CA y CB que cortan a O en A ′ y B ′ . 1º) Demostrar que
las alturas que corresponden al vértice C en cada uno de los triángulos CA ′ B ′ , pasan por un punto
fijo. 2º) Hallar el lugar geométrico de los puntos medios de las rectas A ′ B ′ .
Solución:
C
D
A
P
H
O
B
A’
B’
1º) Sea P el centro del círculo ABC (arco capaz de C sobre AB), y sea H el pie de la altura del
vértice C sobre A ′ B ′ . Siendo D la intersección de AB y A ′ B ′ , se tiene que el ángulo formado por
HC y PO es igual a BDB ′  ADA ′ ; APB  2  C; BAA ′ y A ′ B ′ B, son suplementarios, pues
subtienden la misma cuerda A ′ B desde lados opuestos. Llamando  a C, y  a CAB,
CBA   −  − , ABB ′    , BDB ′   − ABB ′ − BB ′ A ′   −  − 2. Luego el ángulo
formado por HC y OP es igual a  −  − 2. El ángulo CPO   − CPB − BPO. Ahora bien,
BPO    1 APB, ABC   −  − , PBC  ABC − ABP   −  −  −   −    − ,
2
2
2

CPB   − 2 −   2.
2
Luego, CPO   − 2 −   HC/OP, por lo que CH y CP forman el mismo ángulo con OP, es
decir se superponen, y por tanto CH pasa por P, centro del círculo ABC. 2º)
arco AB − arco A ′ B ′
C
, luego arco A ′ B ′  arco AB − 2  C, es constante, por lo que la cuerda
2
A ′ B ′ es tangente a un círculo concéntrico con O, siendo el punto de tangencia el punto medio de
A ′ B ′ . Por tanto, este círculo concéntrico es el lugar geométrico del punto medio de A ′ B ′ .
B 54- Se da un triángulo isósceles ABC y un punto P en la altura AH trazada sobre el lado diferente
BC. Trazar por P una recta que no sea la altura y que divida al triángulo en dos partes iguales.
Solución:
A
M
D
P
Q
B
H
E
N
C
Sea P el punto sobre la altura AH y sea DPE la recta pedida. Se tiene S ADE  AD  2AE  1 .
S ABC
2
AB
Fijados tres puntos D 1 , D 2 y D 3 , sobre AB, se obtienen tres puntos homólogos E 1 , E 2 y E 3 , de
2
forma que AE i  AB . Uniendo D i con P se obtienen sobre AC los puntos E ′i . Los puntos
2  AD i
dobles de E i y E ′i dan la solución.
d 4h 2  a 2
,
Nota: Siendo AH  h, AP  d, BC  a, se obtiene: AE 
2 h  h 2 − 2d 2
58
AD 
d 4h 2  a 2
2 h − h 2 − 2d 2
, o viceversa. En efecto S ADE  AD  2AE  1 .
S ABC
2
AB
B 55- En un plano se dan dos puntos fijos O y A (OA  a ≠ 0). A un punto cualquiera m del plano, se
le hace corresponder el punto M situado en la semirrecta simétrica de OA respecto de Om, a la
distancia OM del punto O, definida por a  OM  Om 2 (M es asociado de m). ¿De cuántos m es
asociado M en el plano? Si m describe una línea , M describe una línea Γ, asociada de . Si en la
construcción de  se reemplaza el punto A por otro fijo A 1 del plano (OA 1  a 1 ≠ 0) sin modificar
el punto O ni la línea , la línea Γ queda reemplazada por la línea Γ 1 . Demostrar que  puede
deducirse de Γ 1 por una semejanza directa en la que el centro, el ángulo y la razón son
independientes de la línea .
Solución:
γ
A
m
A1
M
O
m’
Γ
M1
Γ1
El punto M es asociado de dos m (m y m ′ ), uno cuya distancia Om es positiva y el segundo cuya
distancia Om es negativa, es decir Om   a  OM . El centro O es fijo, no se modifica por
definición. Om está sobre la bisectriz de las semirrectas OA y OM, que coincide con la bisectriz de
a ,
las semirrectas OA 1 y OM 1 , luego el ángulo es independiente de . La razón Om  
OM
OM
a 1 , independiente de .
pasa a ser Om  
OM 1
OM 1
B 56- Se dan dos haces, cada uno de ellos de tres rectas concurrentes: el primero a, b y c, el segundo
a ′ , b ′ y c ′ . Se consideran los puntos A b, c ′ , A ′ c b ′ , B c, a ′ , B ′ a c ′ , C a, b ′ , C ′ b a ′′ .
Demostrar que las rectas AA ′ , BB ′ y CC ′ , son concurrentes.
Solución:
O
a’
M
C’
C
B
O’
A’
N
b’
Q
A
B’
c’
c
b
P
a
O’’
Sean Ma, a ′ , Nb, BB ′ , Pa, AA ′  y Qc, c ′ . Se proyecta la cuaterna O ′ QAB ′  desde B y desde
A ′ . El haz B se corta por el rayo b, dando la cuaterna C ′ OAN. El haz A ′ se corta por el rayo a,
dando la cuaterna COPB ′ . Como ambas cuaternas tienen la misma razón y un punto doble (O),
los otros pares de puntos homólogos (C ′ y C, A y P, N y B ′ ) están en rectas (CC ′ , AA ′ , BB ′ )
concurrentes en el punto O ′′ .
59
B 57- Se consideran tres puntos alineados A, B y C, estando B entre C y A (AB  b, BC  c, b  c).
Una recta variable BY gira alrededor de B. Sea N el simétrico de A, y P el simétrico de C, ambos
respecto a BY. 1º) Hallar los lugares geométricos de N y P. 2º) Las rectas AP y CN se cortan en M.
Determinar una homotecia de centro A que haga corresponder M con N,.y definir el lugar
geométrico de M. 3º) Hallar la posición de M en la que el triángulo ACM sea de área máxima,
calculando los valores de tan BCM y de tan AMC. 4º) En este último caso, calcular los valores de
los lados del citado triángulo, de tan ACM y tan CAM, así como el radio R del círculo circunscrito.
Solución:
N
R
B
A
C
S
P
M
Y
1º) Siendo BN  BA, el lugar geométrico de N es un círculo de centro B y radio b. Siendo
BP  BC, el lugar geométrico de P es un círculo de centro B y radio c.
AN
AB
2º) AM  MN 

 b . Entre M y P existe una homotecia positiva
NC
AN − PC
AP
AB − BC
b−c
de centro A y razón b . Entre M y N existe una homotecia negativa de centro C y razón c .
b−c
b−c
Luego el lugar geométrico de M es un círculo homotético, bien del descrito por P (centro A y razón
b ), bien del descrito por N (centro C y razón −c ). 3º) Siendo   BAR, BR  b sin ,
b−c
b−c
cb  c
SM
c
BS  c sin ,

,
SM 
sin ,
SC  c cos ,
BM  2bc sin ,
RS
b−c
b−c
b−c
bcb  c
S ACM 
sin 2. Esta área será máxima cuando 2  90º,   45º (o el simétrico respecto
2b − c
cb  c 2
b 2
c 2
a ABC). Para este valor de , se tiene: BR 
, BS 
, SM 
,
2
2
2b − c
c b2  c2
b b2  c2
bc 2
c 2
BM 
, SC 
, MC 
, AM 
, tan CMB  b − c ,
2
bc
b−c
b−c
b−c
2
2
b b2  c2
c b2  c2
b
b
−
c
, tan BCM  c . 4º) AM 
, CM 
, tan ACM  bc ,
tan AMC 
2bc
b
−
c
b
−
c
2
2
MC
tan CAM  c , R 
 b c .
b
2b − c
2 sin CAM
B 58- Las longitudes de los lados de un triángulo ABC, son AB  14, AC  16, BC  12. Desde los
vértices como centros se trazan tres círculos cuyos radios son respectivamente 11, 9 y 10. Estos
tres círculos tienen un área común MNP, cuya forma es la de un triángulo curvilíneo. Se pide la
longitud de sus tres lados.
Solución:
A
M
N
P
C
B
En el triángulo MBC, los lados son MB  9, MC  10, BC  12. Se tiene:
60
tan MBC 
2
p − 9p − 12
 0, 5166, MBC  54º38 ′ 26 ′′ 09  54º, 64, y de forma similar
pp − 10
MCB  47º13 ′ 17 ′′ 19  47º, 20. Procediendo de igual forma en los triángulos ACN (AC  16,
CN  10, AN  11), ABP (AP  11, BP  9, AB  14) y ABC (AB  14, AC  16, BC  12), se
obtienen:
CAN  38º06 ′ 01 ′′ 07  38º, 10,
ACN  42º44 ′ 44 ′′ 05  42º, 75,
BAP  39º58 ′ 59 ′′ 24  39º, 99, ABP  51º45 ′ 12 ′′ 17  51º, 75, ABC  75º31 ′ 20 ′′ 96  75º, 52,
ACB  57º54 ′ 36 ′′ 18  57º, 91, BAC  46º34 ′ 02 ′′ 87  46º, 57.
El ángulo MBP mide 54º38′26”09  51º45 ′ 12 ′′ 17 − 75º31 ′ 20 ′′ 96  30º52 ′ 17 ′′ 30  30º, 87. Luego
29  30º, 87
 4, 85. Procediendo de igual forma con los otros dos arcos, se
el arco MP mide
360
211  31, 52
210  32, 05
tiene: arco NP 
 6, 05, arco MN 
 5, 60.
360
360
B 59- Sea AH la altura trazada desde el vértice A sobre el lado BC del triángulo ABC. Se traza por B la
perpendicular BM al lado AB, de forma que BM  CH. Se traza por C la perpendicular CN al lado
AC, de forma que CN  BH. Demostrar que los puntos M y N equidistan del vértice A.
Solución:
A
B
C
H
N
M
AM 2  AB 2  BM 2  c 2  CH 2  c 2  b 2 cos 2 C  c 2  b 2 1 − sin 2 C  c 2  b 2 − b 2 sin 2 C 
 c 2  b 2 − c 2 sin 2 B  b 2  c 2 1 − sin 2 B  b 2  c 2 cos 2 B  b 2  BH 2  b 2  CN 2  AN 2 .
B 60- El lado BC de magnitud variable, de un triángulo ABC, está situado sobre una recta dada r. El
ortocentro H de dicho triángulo, es fijo. Demostrar que las circunferencias circunscritas a los
triángulos ABC, pasan por un punto fijo.
Solución: Como los puntos simétricos del ortocentro de un triángulo, respecto a sus lados, están
sobre la circunferencia circunscrita, el punto H ′ , simétrico de H respecto de r, está sobre la
circunferencia circunscrita al triángulo ABC. Por tanto, las circunferencias circunscritas pasan por
el punto fijo H ′ .
B 61- Se prolongan los lados AB y AC de un triángulo dado ABC, por debajo de la base BC, de manera
que la suma de las prolongaciones sea igual a esta base. Determinar en qué caso la recta que une
los extremos de las prolongaciones, es mínima.
Solución:
A
B
C
N
M
En el triángulo AMN la suma de los dos lados AM y AN es fija, es decir
AM  AN  m  n  b  c  a  k. MN 2  m 2  n 2 − 2mn cos A  m  n 2 − 2mn1  cos A 
 k 2 − mnk ′ . Luego, MN será mínimo cuando mn sea máximo, es decir, cuando m  n, o lo que es
lo mismo, cuando el triángulo AMN sea isósceles AM  AN.
61
B 62- Calcular los tres lados de un triángulo ABC, conociendo las tres medianas: m a  3, m b  5 y
m c  6.
2
Aplicando la fórmula a 2  b 2  2m 2a  c y sus análogas, se tiene sumándolas:
2
2
2
2

m

m
4m

2 113
a
c
b
280
280 − a 2  18  a 2 ,
a2  b2  c2 

.
Luego,
a
;
3
3
2
3
3
280 − b 2   50  b 2 , b  2 65 ; 280 − c 2  72  c 2 , c  8 2 .
3
2
3
2
3
3
Solución:
B 63- Una semirrecta está segmentada a partir de su origen O, en partes iguales por los infinitos
puntos de división 0, 1, 2, ...n,... Desde un cierto punto exterior se proyectan estas divisiones sobre
una segunda recta coplanaria, obteniéndose los puntos P 0 , P 1 , P 2 ,..., P n . Se conocen las distancias
P 2 P 5  18 mm y P 15 P 25  17 mm. La segunda recta está a su vez dividida en mm a partir de P 0 .
Hallar la longitud total del segmento P 0 P  , así como el número de orden de cada uno de los puntos
cuya proyección P n coincide con un mm exacto de la recta P h P k .
Solución:
Las
cuaternas
homólogas
tienen
la
misma
razón,
luego:
2, 5, 15, 25  0, 18, x, x  17 , de donde x  52; 0, 2, 15, 25  0, y, y  52, 69  y ,
y  16; 0, 2, 15, n  0, 16, 68, z , z  136. Por tanto, la longitud total del segmento P 0 P  es
de 136 mm.
Como 0, 1, 2, 15  0, t, 16, 68 , t  8, 5; 0, 1, 2, n  0, 8, 5, 16, m , m  136n ,
n  15

n  15m  2040 − 15. Haciendo 136 − m 2040, se obtienen los siguientes valores para
136 − m
136 − m
n (número de orden) y m (mm correspondientes):
n
2 5 9 15 19 25 36 45 53 70 87 105 121 155 189 240 325 393
mmm 16 34 51 68 76 85 96 102 106 112 116 119 121 124 126 128 130 131
n

495 665 1005 2025
mmm 132 133 134
135
136
B 64- Los lados de un triángulo ABC, cortan a una circunferencia dada: el lado BC en los puntos A ′ y
A ′′ , el lado CA en B ′ y B ′′ , y el lado AB en C ′ y C ′′ . Demostrar que el triángulo A 1 B 1 C 1 , que se
forma al prolongar A ′′ B ′ , B ′′ C ′ y C ′′ A ′ , es homológico al dado.
Solución:
C
A’’
B
A’
B’
C’’
B’’
C’
C1
B1
A
M
N
P
En el exágono inscriptible A ′ A ′′ B ′ B ′′ C ′ C ′′ . los pares de lados opuestos se cortan en tres puntos
alineados, M, N y P (Pascal). En M coinciden BC y B 1 C 1 , en N, AC y A 1 C 1 , y en P, AB y A 1 B 1 .
Luego los triángulos ABC y A 1 B 1 C 1 son homológicos.
62
B 65- Se da un triángulo ABC, su círculo inscrito O, y los tres exinscritos O ′ , O ′′ y O ′′′ . Demostrar que
los ejes radicales de estas cuatro circunferencias, tomadas de dos en dos, son las bisectrices de un
triángulo relacionado con el dado.
Solución:
O’’’
M
A
D
C’
O’
B’
C
N
A’
O
E
B
O’’
El eje radical de O y O ′ pasa por C ′ , punto medio de AB, pues AD  BE  p − b (D y E son los
puntos de tangencia de la tangente común a O y O ′ ; p es el semiperímetro del ABC) y es
perpendicular a OO ′ (paralelo a CO ′′ ), que es la bisectriz exterior de C ′ . El mismo razonamiento se
aplica a OO ′′ y a OO ′′′ . El eje radical de O ′ O ′′ pasa por el punto medio B ′ , de la tangente común
MN (MC  NA  p), es perpendicular a O ′ O ′′ y paralelo a la bisectriz BO. Ahora bien, la paralela
desde B ′ a BO, es la bisectriz interior de B ′ . El mismo razonamiento se aplica a O ′ O ′′′ y a O ′′ O ′′′ .
Luego los citados ejes radicales son bisectrices del triángulo formado por los puntos medios de los
lados del triángulo dado.
B 66- Encontrar la relación que deben satisfacer los lados de un triángulo ABC, para que la simediana
correspondiente a A, sea perpendicular a la recta que une el centro del círculo circunscrito con el
ortocentro.
Solución:
A
H’’
O’’
O
H
B
H’ D
O’
C
2
2
2
2
O ′ H ′  b − c . Análogamente O ′ H ′  a − b . Sea D la
2a
2a 2
DB  c , de donde
intersección de la simediana con BC. Se tiene:
CD
b2
CD  DB  CD  DB 
a . Para que OH sea ortogonal a AD, es necesario y suficiente
b2  c2
b2
c2
b2  c2
CD
CA
que ′ ′  ′ ′ .
OH
O H3
4
4
 22ab 2 , o bien, a 2  b 2  c 2 .
Luego, 2 2ab
2
2
2
b −c
b c
b  c a − c 
AC 2 − AB 2  2BC  O ′ H ′ ;
63
B 67- Se da un punto O exterior a una recta AD. Se baja la perpendicular OA a esta y las oblicuas OB,
OC,..., siendo AB  BC  CD ... Demostrar que los ángulos AOB, BOC, COD,... disminuyen.
Solución:
O
C
A
B
D
D’
Sean OB, OC y OD tres oblicuas consecutivas cualesquiera. Sea OD ′ la simétrica de OD respecto
a OC. Como OCD  OCA, CD ′ , simétrica de CD, cae por debajo de DCB, y como
CD  CD ′  CB, CD ′ cae dentro del COB, luego COD  COD ′  COB, como se quería
demostrar.
B 68- Se dan sobre una recta orientada, tres pares de puntos AA ′ , BB ′ y CC ′ , y sean a, b y c sus puntos
medios. Demostrar que si P es un punto cualquiera de dicha recta, la función
FP  PA  PA ′  bc  PB  PB ′  ca  PC  PC ′  ab, es constante.
Solución: Trasladando P una distancia m cualquiera, se tiene:
FP  m  PA  m  PA ′  m  bc  PB  m  PB ′  m  ca  PC  m  PC ′  m  ab 
 FP  mPA  PA ′ bc  PB  PB ′ ca  PC  PC ′ ab  m 2 bc  ca  ab. Ahora bien,
dados varios puntos alineados A, B, C... N, se tiene que AB  BC . . . NA  0 (primer principio de
Chasles), luego bc  ca  ab  0. Por el segundo principio de Chasles se tiene que, dados los
puntos alineados A, B, C y D, el valor de la expresión AB  CD  AC  DB  AD  BC, es nulo, por
tanto Pa  bc  Pb  ca  Pc  ab  0. Teniendo en cuenta lo anterior y como
PA  PA ′ bc  PB  PB ′ ca  PC  PC ′ ab  2Pa  bc  Pb  ca  Pc  ab  0,
se tiene que: FP  m  FP, luego FP es constante.
B 69- Se dan dos semirrectas orientadas, que son cortadas por tres paralelas, en los puntos AA ′ , BB ′ y
CC ′ . Demostrar que la expresión E  AA ′  BC  BB ′  CA  CC ′  AB es nula.
Solución:
O
A’
A
B’
B
C’
C
′
′
Siendo AA ′  OA y AA ′  OA , la expresión dada queda como sigue:
OB
OC
BB
CC
′
OB
′
′
 AA  CA  OC  AA ′  AB  AA OA  BC  OB  CA  OC  AB.
E  AA  BC 
OA
OA
OA
Como la expresión entre paréntesis es nula (segundo principio de Chasles), E  0.
64
B 70- Se dan tres puntos A, B y C sobre un eje orientado, un círculo y un punto P sobre este. Las
rectas PA, PB y PC cortan al círculo en A ′ , B ′ y C ′ , respectivamente. Demostrar que la expresión
E  BC  PA  PA ′  CA  PB  PB ′  AB  PC  PC ′ , es nula.
Solución:
P
O
A’
C’
B’
B
A
C
Se tiene que PA  PA ′  APAP − AA ′ , y como AP  AA ′ es la potencia de A con relación al
círculo, cuyo centro es O y su radio R, AP  AA ′  AO 2 − R 2 . Por tanto
PA  PA ′  AP 2 − AO 2  R 2 . Luego:
E  BC  AP 2  CA  BP 2  AB  CP 2  − BC  AO 2  CA  BO 2  AB  CO 2   R 2 BC  CA  AB
La relación de Stewart para varios puntos alineados, A, B, C... y un punto O fuera de la alineación,
determina que ∑BC  OA 2   0. Luego las expresiones incluidas en los dos primeros corchetes,
son nulas, y la incluida en el tercer corchete también lo es (primer principio de Chasles). Por todo
ello, E  0.
B 71- Demostrar que si está definida en el plano una congruencia inversa, esta tiene una recta doble
respecto de la cual forman ángulos iguales las rectas homólogas.
Solución:
B’
A’
A
O
A’’
B
B’’
La congruencia es una semejanza de razón la unidad. Una congruencia inversa es, por tanto, una
simetría con relación a un eje. Todos los puntos del eje son homólogos de sí mismos, es decir que
el eje es una recta doble de infinitos puntos dobles (la recta impropia también es doble). Luego
AA ′  AA ′′ , BB ′  BB ′′ . Las rectas A ′ B ′ y A ′′ B ′′ se cortan en O sobre el eje OAB. Los triángulos
OB ′ B y OB ′′ B son iguales, por tanto A ′ OA  A ′′ OA, con lo que queda demostrado.
B 72- Dadas dos involuciones sobre una recta, hallar los pares de puntos conjugados en ambas
involuciones.
Solución:
V
A’ F’
F A
Proyectando las involuciones desde un punto V y cortando por un círculo que pase por V, sean F y
F ′ los correspondientes puntos de Frégier. La recta FF ′ corta al círculo en A y A ′ . Los rayos VA y
VA ′ definen los elementos conjugados comunes.. Si una de las involuciones, o las dos, son
elípticas, estos rayos son siempre reales. Si son hiperbólicas, pueden ser reales, imaginarios o estar
confundidos. En este último caso tienen en común un rayo doble.
65
B 73- Se da una involución sobre una recta y un punto P exterior a ella. Hallar un par de puntos
conjugados que se vean desde P bajo un ángulo de 90º.
Solución:
P
A
B
F
M
N
Se proyecta la involución desde P, y se corta por un círculo que pase por P, obteniéndose el punto
F de Frégier de la involución. Uniendo F con el centro del círculo se obtienen los puntos A y B Los
rayos PA y PB cortan a la base en los puntos pedidos M y N.
B 74- Construir la fórmula x  4 a 4  b 4 , detallando gráficamente los distintos pasos a dar
Solución:
D
F
I
B
O
C
A
E
G
F
H
G
En la primera figura, OA  1, OB  OC  a, OD  a 2 (de forma similar se obtiene b 2 ). En la
segunda figura EF  a 2 , EG  b 2 , FG  a 4  b 4 . En la tercera figura se lleva FG como
diámetro del semicírculo y GH  1, obteniéndose GI  4 a 4  b 4 , pues GI 2  FG  GH.
B 75- En todo triángulo ABC, siendo G su baricentro, y XY una recta que no lo corta, se verifica que
AA ′  BB ′  CC ′  3GG ′ , siendo A ′ , B ′ , C ′ y G ′ , las proyecciones de A, B, C y G sobre XY.
Solución:
A
C
G
M
B
M’
A’
B’
C’
G’
′
′
Siendo M el punto medio de BC, se tiene que 2  MM ′  BB ′  CC ′ . Además AA ′ − GG ′  2.
GG − MM
Luego 3  GG ′  AA ′  2  MM ′  AA ′  BB ′  CC ′ .
B 76- Se da un triángulo ABC, un punto O en su interior, y tres puntos A ′ , B ′ y C ′ situados
respectivamente sobre BC, CA y AB. Sean AA ′′ , BB ′′ y CC ′′ , las paralelas a OA ′ , OB ′ y OC ′ ,
′
′
′
limitadas por los lados del triángulo. Demostrar que E  OA′′  OB′′  OC′′  1.
AA
BB
CC
66
Solución:
A
O
A1
B
H
C
A’
Oa
A’’
Sea A 1 , la intersección de AO con BC; O a , la proyección de O sobre BC; S, el área del ABC; S a , el
′
área del OBC; S  S a  S b  S c . Se tiene OA′′  OA 1  OO a  OO a  OO a  a  2S a .
AA 1
AH
2S
ha
a  ha
AA
S
S
a  Sb  Sc

 1.
Luego E 
S
S
B 77- En
un
triángulo
ABC
se
traza
la
mediana
AA ′ .
Demostrar
que
AB  AC − BC  AA ′  AB  AC .
2
2
Solución:
A
B
A’
C
A1
AC  AA ′  A ′ C, luego AA ′  AC − A ′ C. Además AA ′  AB − A ′ B. Sumando estas dos últimas
desigualdades, se tiene: 2  AA ′  AC  AB − BC, es decir AA ′  AC  AB − BC . Siendo A 1 el
2
simétrico de A respecto a A ′ , se tiene: AA 1  2  AA ′  AB  AC. Luego AA ′  AB  AC .
2
B 78- Sea un triángulo equilátero ABC, de lado a. Trazar una recta que corte en M al lado AB, en N al
lado AC, y en P a la prolongación del lado BC, de tal manera que las áreas de los triángulos AMN,
CNP y del cuadrilátero BCMN, sean equivalentes. Suponiendo que el triángulo está inscrito en un
círculo de radio 1, calcular MN y NP.
Solución:
A
M
N
B
C
P
2
2
3
a 3
Siendo AM  x, MB  a − x, S AMN 
x  AN  1 S ABC 
, AN  a . Llamando
4
8
2x
2
a2
a
−
ya
2x  x  1. De donde y  axa − 2x . Como S NCP  S AMN ,
CP  y, se tiene: y 
2
a−x
2x 2 − a 2
a
2x
se tiene:
3 2ax − a 2
a2 3
y

, x  AM  2a , y  CP  2a, AN  3a .
3
4
4
2x
8
2
73
a
a
73
, NP 
.
NP 2  NC 2  CP 2 − 2  NC  CP  cos 120º 
16
4
2
a 73
a 73
, MN 
. Para R  1, a  3 ,
MN 2  AM 2  AN 2 − 2  AM  AN  cos 60º 
16  9
12
3  73
3  73
 1, 23322, NP 
 3  MN  3, 69966.
MN 
12
4
67
B 79- Demostrar que la suma de las medianas de un triángulo es mayor que la mitad de su perímetro y
menor que este.
Solución:
A
B’
C’
B
C
A’
A1
b  m a  a , c  m a  a . Sumando: b  c  2m a  a. Análogamente, a  c  2m b  b y
2
2
a  b  2m c  c. Sumando las tres desigualdades: a  b  c  2m a  m b  m c . Por otra parte:
c  b  2m a . Sumando esta desigualdad con sus dos análogas, se tiene: a  b  c  m a  m b  m c .
Luego llamando 2p  a  b  c, se ha demostrado que p  m a  m b  m c  2p.
B 80- Se considera un cuadrante de círculo AOB. Por un punto M del arco, se traza una paralela A ′ B ′ a
la cuerda AB, que corta a OA en A ′ , y a OB en B ′ . Demostrar que MA ′2  MB ′2  AB 2 .
Solución:
B’
B
P
M
A’
O
N
A
Sea OM  OA  OB  R. Se tiene:
MA ′2  MB ′2  MN 2  NA ′2  MP 2  B ′ P 2  MN 2  MN 2  MP 2  MP 2  2R 2  AB 2 .
B 81- Se consideran dos triángulos ABC y A ′ B ′ C ′ , homotéticos directos, conteniendo el mayor en su
interior al menor. Demostrar que el área de un tercer triángulo abc, inscrito en el ABC y
circunscrito al A ′ B ′ C ′ , es media proporcional de las áreas de los dos triángulos dados.
Solución:
A
c
A’
O
B’
B
b
H’
a
C’
C
H
Hay que demostrar que S 2abc  S ABC  S A ′ B ′ C ′ , o bien, siendo S ABC  k 2  S A ′ B ′ C , que
S abc  k  S A ′ B ′ C ′ . Sea OH ′ H la perpendicular desde el centro de homotecia O, sobre los lados
paralelos
B′C′
y
BC,
siendo
OH  k  OH ′ .
Se
tiene
que
1
1
S B′C′a 
 B′C′  H′H 
 B ′ C ′  OH ′  k − 1,
y
S OB ′ C ′  1  B ′ C ′  OH ′ .
Luego
2
2
2
S B ′ C ′ a  k − 1  S OB ′ C ′ . Procediendo de la misma forma con los triángulos bA ′ C ′ y cA ′ B ′ , y
sumando las tres igualdades resultantes, se tiene que S B ′ C ′ a  S C ′ A ′ b  S A ′ B ′ c  k − 1  S A ′ B ′ C ′ , es
decir S abc − S A ′ B ′ C ′  k − 1  S A ′ B ′ C ′ . Por tanto S abc  k  S A ′ B ′ C ′ , con lo que queda demostrado.
68
B 82- Si tres números verifican la relación 12  12  12 , hay dos triángulos de los que dos lados
h
b
c
miden b y c, y la altura correspondiente al tercer lado mide h.
Solución:
A
C1 B1
H
B2 C2
Para que se verifique la igualdad dada, b y c, han de ser cada uno de ellos, mayores que h. Por
tanto se traza AH perpendicular a BC, siendo AH  h. Con centro en A, se lleva AB 1  AB 2  c y
AC 1  AC 2  b, obteniéndose los dos triángulos AC 1 B 2 y AC 1 B 1 (y sus dos simétricos AC 2 B 1 y
AC 2 B 2 ).
B 83- Tres paralelas trazadas por los vértices de un triángulo ABC, cortan a los lados opuestos en A ′ ,
B ′ y C ′ , y a una transversal cualquiera en A ′′ , B ′′ y C ′′ . Demostrar que se cumple la expresión
′′
′′
′′
E  AA ′  BB ′  CC ′  1.
AA
BB
CC
Solución:
A’
A
B
C’
C’’’
A’’’
A’’
B’
B’’
C C’’
Si se traslada la transversal paralelamente a sí misma, la relación no varía. En efecto, se traslada
A ′′ B ′′ C ′′ hasta ocupar la posición A ′′′ B ′ C ′′′ , en la que coinciden los puntos B ′ y B ′′′ . Luego
llamando m a la distancia B ′ B ′′ , se tiene:
′′
′′
′′
Em  AA −′ m  BB −′ m  CC −′ m  E − m 1 ′  1 ′  1 ′ . Ahora bien, como
AA
BB
AA
CC
BB
CC
AA ′  −BB ′ , CC ′  −BB ′ , se tiene que: 1  1  1 
AC
B ′ C AC
AB ′ ′
AA ′ ′ BB ′ ′ CC ′
′
C
B
1
AB
1



− B C  AB  1  1 ′ 1 − AC  0.

AC
AC
−BB ′  AC
−B ′ B  AC
BB ′
BB ′
BB
Demostrado que al trasladar la transversal paralelamente a sí misma, el valor de E no varía, se
′′′
′′′
′′′
′′′
traslada la transversal a B ′ , teniéndose E  AA ′  1  CC ′ . Como AA ′  − CC ′ , E  1.
AA
CC
AA
CC
B 84- Se da un triángulo ABC, rectángulo en A e isósceles. Se divide AB en n partes iguales,
trazándose por estos puntos las paralelas a AC. Calcular las áreas en que ABC ha sido dividido.
Solución:
B
A
C
El área de la primera faja es S 1 . La de la segunda faja es S 1  2  S 1  3  S 1 . La de la tercera faja
es S 1  2  S 1  2  S 1  5  S 1 . La de la faja nº k es 2k − 1S 1 . Luego
. El área de la faja nº k es 2k − 1 S ABC
.
S 1 1  3  5 . . . 2n − 1  S ABC ; S 1  S ABC
2
n
n2
69
B 85- Se da un triángulo ABC rectángulo en A. Se traza exteriormente al triángulo, el semicírculo de
diámetro BC, e interiormente los semicírculos de diámetros AB y AC. Demostrar que el área de la
parte común de estos dos últimos, aumentada en el área del triángulo, es igual al área de la parte
del primer semicírculo, exterior a los otros dos semicírculos.
Solución:
5
B
4
H
3
1
2
A
C
2
2
2
2
2
S 4  S 2  S ABH  1  c , S 1  S 3  S ACH  1  b , S 5  1  a − S 3 − S 4  1  b  c −
4
4
4
4
2
2
2
2
2
2
− 1  b − S 1 − S ACH − 1  c − S 2 − S ABH  S 1  S 2  S ACH  S ABH  S 1  S 2  S ABC .
2 4
2 4
B 86- Por un punto P del plano de un triángulo ABC, se trazan las paralelas bc ′ a BC, ca ′ a AC, ab ′ a
AB. Estas paralelas determinan sobre los lados del triángulo, tres segmentos aa ′ , bb ′ , cc ′ .
Demostrar
las
cuatro
igualdades
siguientes:
Pa  Pb  Pc  −Pa ′  Pb ′  Pc ′ ;
′
′
′
′
′
aa  bb  cc  1; Pa  Pb  Pc  1; Pa  Pb  Pc ′  1.
AB
BC
CA
BC
CA
AB
AC
BA
CB
Solución:
c
A
c’
B
b
P
b’
a
C
a’
En los distintos triángulos semejantes formados, se obtienen los siguientes conjuntos de
′
′
′
′
′
′
igualdades: Pa  Pa  aa ; Pb  Pb  bb ; Pc  Pc  cc . Multiplicando los
AB
BC
CA
AC
BC
BA
CA CB
AB ′
′
′
primeros y segundos miembros de dichos conjuntos, se tiene: Pa  Pb  Pc  Pa  Pb  Pc .
AB  BC  CA
AC  BA  CB
Luego Pa  Pb  Pc  −Pa ′  Pb ′  Pc ′ , que es la demostración de la primera igualdad. Sumando
miembro a miembro los tres conjuntos, se tiene:
bb ′  Pb
Pa ′  Pb ′  Pc ′  Pa  Pb  Pc  aa ′  bb ′  cc ′ .
Como
y
AB
BC′
CA
BC
AC
BA′
CB
BC
CA
AB′
CA
′
′
′
′
cc  Pc , se tiene: aa  bb  cc  aa  Pb  Pc 
BC
AB ′ CB′
BC
CA
AB
BC
CB
 aa  a C  Ba  BC  1, con lo que quedan demostradas las tres restantes igualdades.
BC
BC
B 87- Demostrar que si en dos triángulos homotéticos ABC y A ′ B ′ C ′ , son a, b y c los lados del
primero, y d a , d b y d c las distancias entre lados homólogos, positivas o negativas según que, por
ejemplo, A y B ′ C ′ estén o no, al mismo lado de BC, se verifica
S ABC  S A ′ B ′ C ′  S ABC − 1 a  d a  b  d b  c  d c .
2
Solución:
A
B
A’
C
C’
B’
70
S A ′ B ′ C ′  S ABC  S AA ′ CC ′  S BB ′ CC ′ − S AA ′ BB ′ . S AA ′ CC ′  − b  kb d b . S BB ′ CC ′  − a  ka d a .
2
2
S AA ′ BB ′  c  kc d c . Luego, S A ′ B ′ C ′  S ABC − 1 1  ka  d a  b  d b  c  d c .
2
2
Por tanto, S A ′ B ′ C ′  k a  d a  b  d b  c  d c   S ABC .− 1 a  d a  b  d b  c  d c .
2
2
Como S A ′ B ′ C ′  k 2  S ABC ; S A ′ B ′ C ′  S ABC  k 2  S 2ABC ; k  S ABC  S ABC  S A ′ B ′ C ′ .
Luego, S ABC − 1 a  d a  b  d b  c  d c   S ABC  S A ′ B ′ C ′ .
2
B 88- Si por los vértices A, B y C de un triángulo se trazan las paralelas bc, ca y ab, a los lados de otro
triángulo A ′ B ′ C ′ , y por los vértices de este se trazan las paralelas b ′ c ′ , c ′ a ′ y a ′ b ′ a los lados del
ABC, demostrar que se tiene que S ABC  S a ′ b ′ c ′  S A ′ B ′ C ′  S abc .
Solución:
b
A
b’’
c
c’’
B
a’’
C’
a’
b’
B’
C
A’
c’
a
Multiplicando el triángulo a ′ b ′ c ′ por una relación tal que se convierta en el ABC, se tiene
S a ′ b ′ c ′  k 2  S ABC . Aplicando esta relación k 2 al A ′ B ′ C ′ , se tiene S A ′ B ′ C ′  k 2  S a ′′ b ′′ c ′′ , siendo el
triángulo a ′′ b ′′ c ′′ , semejante al A ′ B ′ C ′ e inscrito en el ABC. Luego S ABC es media proporcional (ver
el problema B 81) entre S abc y S a ′′ b ′′ c ′′ , es decir S 2ABC  S abc  S a ′′ b ′′ c ′′ . Sustituyendo el valor de
S a ′′ b ′′ c ′′ por S A ′ B ′ C ′  k 2  S A ′ B ′ C ′  S ABC , se tiene S ABC  S a ′ b ′ c ′  S A ′ B ′ C ′  S abc .
S a′b′c′
B 89- Demostrar que si se dan dos triángulos homotéticos y equivalentes, ABC y A ′ B ′ C ′ , siendo h a , h b
y h c las alturas del primero, y d a , d b y d c las distancias entre lados homólogos, se verifica que
E  d a  d b  d c  0.
ha
hb
hc
Solución:
C
B’
O
A
A’
B
C’
H
Por ser homotéticos, se tiene S A ′ B ′ C ′  k 2  S ABC , y por ser equivalentes S A ′ B ′ C ′  S ABC , luego
k 2  1. Sea OH  d a . Si los triángulos son homotéticos directos, coinciden (k  1), y las
2
distancias son nulas, por lo que la expresión también lo es. Si la homotecia es negativa (k  −1),
teniendo en cuenta los signos negativos:
E  d a  d b  d c  1  ad a  bd b  cd c   1  −ad a  −bd b  −cd c  
2S ABC
2S ABC
2S A ′ B ′ C ′
2S A ′ B ′ C ′
2 2S ABC
2 2S A ′ B ′ C ′
ha
hb
hc
2S A ′ B ′ C ′
2S
ABC
1
1


−

 0.
2 2S ABC
2 2S A ′ B ′ C ′
71
B 90- Se dan en un plano dos triángulos homotéticos, siendo a, b y c los lados de uno de ellos, y d a , d b
y d c las distancias entre lados homólogos. Demostrar que la expresión E  a  d a  b  d b  c  d c ,
permanece constante al desplazarse los triángulos.
Solución:
A’
A
B’
B
O
H
H’
En
la
homotecia
directa,
OH  k  OH ′  OH  d c ,
d c  OH  k − 1.
E  k − 1 ∑OH  d c   2k − 1S ABC , que es constante. En la homotecia
OH  k  −OH ′  −OH − d c , d c  −OH  k  1.
Luego E  −k  1 ∑OH  d c   −2k  1S ABC , que es constante
Luego
inversa,
B 91- Sean AA ′ , BB ′ y CC ′ , las alturas del triángulo ABC. Por los puntos medios a ′ , b ′ y c ′ de B ′ C ′ ,
C ′ A ′ y A ′ B ′ , se trazan las perpendiculares aa ′ , bb ′ y cc ′ , sobre BC, CA y AB. Demostrar que son
concurrentes.
Solución: Las alturas AA ′ , BB ′ y CC ′ son bisectrices del triángulo órtico A ′ B ′ C ′ . Los lados del
triángulo mediano del órtico a ′ b ′ c ′ , son paralelos a los del órtico, luego las paralelas a AA ′ , BB ′ y
CC ′ , trazadas por a ′ , b ′ y c ′ , son sus bisectrices. Pero estas rectas son aa ′ , bb ′ y cc ′ , luego son
concurrentes.
B 92- Dados dos triángulos ABC y A ′ B ′ C ′ , demostrar que si concurren las perpendiculares Aa, Bb y
Cc, bajadas desde A, B y C sobre B ′ C ′ , C ′ A ′ y A ′ B ′ , las perpendiculares A ′ a ′ , B ′ b ′ y C ′ c ′ , bajadas
desde A ′ , B ′ y C ′ sobre los lados del primero, también concurren.
Solución:
A
α
C
γ’
B’
α‘
γ
α γ’
a
c
O
O’
α‘
β
C’
γ
β’
A’
b
β’
β
B
Llamando A 1 , B 1 y C 1 los puntos en que Aa, Bb y Cc cortan a BC, AC y AB (estos puntos no se
sin  ′  sin  ′  sin  ′
han dibujado en la figura), se tiene: AC 1  BA 1  CB 1  −1 
. En el
sin   sin   sin 
BC 1 CA 1 AB 1
triángulo A ′ B ′ C ′ , las rectas OA ′ , OB ‘y OC ′ , forman con sus lados los mismos ángulos que OA, OB
y OC con los lados del ABC, luego verificarán la misma relación, siendo también concurrentes.
72
B 93- En un triángulo ABC, se trazan tres cevianas Aa, Bb y Cc. Demostrar que las rectas que unen
los puntos medios de Aa y BC, de Bb y CA, y de Cc y AB, son concurrentes.
Solución:
A
c
B’
n
p
a
B
b
m
C’
A’
C
Sean A ′ , B ′ y C ′ los puntos medios de BC, CA y AB, y sean m, n y p los de Aa, Bb y Cc. Los
puntos m, n y p se encuentran en las paralelas B ′ C ′ , C ′ A ′ y A ′ B ′ a los lados del ABC. Se tiene
′
′
aB  bC  cA  −1  2  mC ′  2  nA ′  2  pB  mC ′  nA ′  pB . Por tanto A ′ m, B ′ n
aC bA cB
2  mB ′ 2  nC ′ 2  pA ′
mB ′ nC ′ pA ′
′
′ ′ ′
y C p, son cevianas del triángulo A B C .
B 94- Dado un triángulo ABC, sea O su circuncentro, H el ortocentro, A ′ , B ′ y C ′ los puntos medios de
los lados, A ′′ , B ′′ y C ′′ los puntos medios de AH, BH y CH. Demostrar que A ′ A ′′  B ′ B ′′  C ′ C ′′ , y
que A ′ A ′′ , B ′ B ′′ , C ′ C ′′ y OH son concurrentes.
Solución:
A
A’’
H
B’
C’
C’’
B’’
B
O
A’
C
A ′ A ′′ , B ′ B ′′ y C ′ C ′′ son diámetros del círculo de los nueve puntos, cuyo centro es el punto medio
de OH.
B 95- Demostrar que en todo triángulo, las tangentes a la circunferencia circunscrita trazadas en los
vértices, cortan a los lados opuestos en tres puntos alineados.
Solución: Se trata de una caso límite de un exágono ABCDEF, inscrito en una circunferencia, en
el que los vértices B y C se confunden, así como los D y E, y los F y A. Consecuentemente, los
lados BC, DE y FA, son las tangentes en dichos vértices confundidos. Aplicando el teorema de
Pascal, queda demostrado el enunciado.
73
B 96- Dado un triángulo ABC, trazar desde un punto de uno de sus lados, rectas que corten a los otros
dos lados, de modo que su suma sea igual a una cantidad dada m. Demostrar que para cualquier
otro punto de dicho lado, las paralelas a las rectas trazadas suman también la misma cantidad m.
Solución:
A
E
D
F
G
P
B
C
Sea BC el lado escogido. Desde B y C, se trazan las rectas BD y CE iguales a m. Evidentemente
los puntos B y C cumplen con el enunciado. Desde otro punto cualquiera P de BC, se trazan las
paralelas PF y PG a BD y CE, respectivamente. Se tiene que PF  BD  PC  mPC ,
BC
BC
PG  CE  PB  mPB . Sumando estas dos igualdades, se tiene: PF  PG  m.
BC
BC
B 97- Demostrar que los círculos de Apolonio son ortogonales al círculo circunscrito, tienen el mismo
eje radical y sus centros están alineados.
Solución: Sean W y W ′ los centros isodinámicos del triángulo ABC, que son inversos de los
′
centros isógonos U y U ′ . Se tiene BW  BA  BW ′ , o sea que W y W ′ pertenecen a los
CW
CA
CW
círculos de Apolonio, por lo que se puede trazar una tangente al círculo circunscrito igual al radio
del círculo de Apolonio, es decir que ambos círculos son ortogonales. Los tres círculos se cortan en
W y W ′ , por lo que su eje radical común es WW ′ , y sus centros están sobre la polar del punto K
(punto de Lemoine).
B 98- Demostrar que en un triángulo ABC, la paralela MN trazada desde el incentro I a uno de sus
lados, BC en el caso de la figura, limitada por los otros dos lados, AB y AC, es igual a la suma de
los segmentos MB y NC, determinados sobre estos dos lados, comprendidos entre las paralelas.
Solución:
A
E
F
I
N
M
D
B
Los
triángulos
CIN
y
BIM,
son
C
isósceles,
pues
NCI  DCN ,
2
NIC   − NCI − INC    − DCN −   NDC  NCD  NCI.
2
2
Análogamente, MI  MB. Luego, MI  IN  MN  MB  NC.
74
Por
INC   − NCD,
tanto,
NI  NC.
B 99- Demostrar que las rectas simétricas de una recta de Simson, respecto de los lados de un
triángulo ABC, forman un triángulo cuyo incentro coincide con el polo de la recta de Simson.
Demostrar que este polo es también el centro de perspectividad del triángulo dado y del formado
por dichas rectas simétricas.
Solución:
d
s
sa
M
a
P
R
B
sb
sa
H
g
f
sc
c
N
sc
A
C
b
sb
s
Sea s la recta de Simson correspondiente al polo P (punto sobre la circunferencia circunscrita al
ABC), que pasa por los pies a, b y c de las perpendiculares trazadas desde P sobre los lados del
ABC. Sean s a , s b y s c , sus simétricas respecto de estos lados. Y sean H, d, e y f, los pies de las
perpendiculares trazadas desde P sobre s y sus simétricas. En los triángulos rectángulos Pdc y
PcH, se tiene que Pc es común, y como HPc  BcH  dcA  dPc, son iguales, por lo que
PH  Pd. Análogamente se obtiene que PH  Pe  Pf, es decir que P es el incentro del triángulo
MNR, formado por s a , s b y s c . Los triángulos ABC y MNR, son homológicos, pues los lados
homólogos se cortan en a, b y c, que están alineados. Por tanto AN, CM y RB, pasan por un punto
fijo P. En efecto, el punto N, al estar sobre las simétricas de s respecto de AB y AC, está sobre PA,
que pasa por A, punto común de AB y AC. El mismo razonamiento se aplica a M y R, deduciéndose
que P es el centro de perspectividad de los triángulos ABC y MNR.
B 100- Dado un triángulo isósceles ABC, de base AB, se dividen los dos ángulos A y B en un mismo
número de partes iguales mediante dos haces de n − 1 semirrectas. Las que irradian de A, se
numeran ordenadamente a partir de AC inclusive, mediante los números 0, 1, 2,... n, terminando en
AB. Similarmente para el vértice B, desde BA hasta BC. Señálense los puntos de intersección de las
parejas de rayos de misma numeración, demostrando que cualquiera que sea n, dichos puntos están
sobre una línea cuyas propiedades se piden.
Solución:
C
K
I
A
B
O
B
El ángulo que el rayo AK forma con AC, es A
n k, y el que forma BK con BA es n k. El ángulo
B
AKB mide 180º − A − A
n k − n k. Como A  B, AKB  180º − A. Luego la línea pedida se
corresponde con el arco capaz de 180º − A, trazado sobre AB. Este arco es tangente a AC y CB en A
y B, respectivamente, y pasa por el incentro I del ABC.
75
B 101- Demostrar que la suma de los radios, r a , r b , r c , de las circunferencias exinscritas en un triángulo
ABC, es igual a cuatro veces el radio R de la circunferencia circunscrita, más el radio r de la
circunferencia inscrita (r a  r b  r c  4R  r).
Solución:
F
M
A
E
rc
rb
I
r
N
C
B
P
ra
D
Sean D, E, F los centros de los círculos exinscritos, e I el centro del círculo inscrito. El triángulo
ABC es el órtico del DEF, siendo I el ortocentro de este, y siendo el círculo circunscrito al ABC, el
círculo de los nueve puntos del DEF. Por tanto, PI  PD, teniéndose que: PN  r a − r ,
2
NM  r b  r c . Luego, PM  2R  r a  r b  r c − r , es decir: r a  r b  r c − r  4R.
2
2
B 102- Dado un triángulo ABC, se traza una recta que corta a AB en M, y a AC en N, de forma que
MN  BM  CN. Demostrar que las rectas MN son tangentes a una misma circunferencia.
Solución:
B
P
M
R
A
Q
C
N
Se tiene: MP  MR, NQ  NR. Luego, MN  MP  NQ. Como MN  MB  NC, uno de los dos
puntos, P o Q, están sobre el lado AB o AC del triángulo, y el otro punto sobre la prolongación del
AP  AQ
otro lado. Por tanto, AP  AQ 
 AB  AC . Luego al ser las tangentes constantes, la
2
2
circunferencia es la misma.
76
B 103- Hallar un punto P en el plano de un triángulo ABC dado, de forma que, unido con los tres
vértices, estas tres rectas formen ángulos iguales con los lados del triángulo, tomados estos en el
mismo sentido.
Solución:
C
P
A
B
Se debe tener que PAB  PBC  PCA  . En el triángulo PBC se tiene:
BPC  C −     , luego BPC   − C. En el triángulo APC se tiene:
APC    A −   , luego APC   − A. Luego P está sobre el arco capaz de  − C trazado
sobre BC, y sobre el arco capaz de  − A trazado sobre AC. La intersección de estos arcos capaces
(dos puntos, uno o ninguno), determina el punto P, llamado punto de Brocard.
77
78
Sección C - CONSTRUCCIÓN DE TRIÁNGULOS
C 1- Construir un triángulo conociendo A, b y a − c.
Solución:
B
D
M
C
A
Se traza AC  b, y sobre su extremo A, se traza el ángulo BAC  A. Sobre el lado AB se lleva
AD  a − c. Se levanta en M la mediatriz de CD, que corta en B a AB. El triángulo pedido es el
ABC.
C 2- Construir un triángulo conociendo h a , m a y sabiendo que a  2b.
Solución:
A
O
B
M
H
C
Se traza una recta BC y en un punto H de ella, se levanta la perpendicular AH  h a . Con centro en
A y radio AM  m a , se corta BC en M y M ′ (no dibujado en la figura). Por el punto medio O de
AM, se levanta la mediatriz OC, que corta a BC en C. Llevando CB  2  AC, se tiene el triángulo
pedido ABC.
C 3- Construir un triángulo conociendo m a , A y b  c.
Solución:
A
B
G M
C
D
F
E
En los lados del ángulo A, se lleva AD  AE  b  c. Se traza GM, paralela media a DE del
triángulo ADE. Con centro en A y radio AM  m a , se corta GM en M. La recta simétrica de AE con
relación a M, corta a AD en B, Se lleva AC  b  c − AB, obteniéndose el triángulo pedido ABC.
79
C 4- Construir un triángulo conociendo A, a y el radio r del círculo inscrito.
Solución:
A
m
D
C
O
E
B
O’
Se traza el ángulo BAC  A, su bisectriz AO ′ y una paralela m a una distancia r de uno de los lados
de A, por ejemplo el AC. El centro O de la circunferencia inscrita está en la intersección de la
bisectriz con m. Se traza la circunferencia de centro O y radio OD  r. En el lado AC, y a partir de
D (punto de tangencia de O con AC), se lleva DE  a Se levanta la perpendicular EO ′ a AC en E.
El punto de intersección de esta perpendicular con la bisectriz AO, da el punto O ′ , centro del
círculo exinscrito. Trazado este (centro O ′ y radio O ′ E), se traza BC, tangente común a los círculos
O y O ′ , obteniéndose los vértices B y C.
C 5- Construir un triángulo conociendo A, m b y el ángulo a, m c .
Solución:
A
O’
M
O
B
G
C
El vértice A está en el arco capaz de A construido sobre BM  m b . Como MA  −MC, el vértice C
está en la circunferencia homotética de la anterior, con M como centro de homotecia y razón −1. El
vértice C está sobre el arco capaz del ángulo a, m c , trazado sobre BG  2 m b . Determinado C, su
3
simétrico respecto de M, es el vértice A.
C 6- Construir un triángulo conociendo a, r y r a .
Solución:
B
O’
O
A
M
C
N
Se traza el círculo inscrito de centro O y radio r. Por un punto M de él, se traza la tangente AMN.
Sobre esta y a partir de M, se lleva MN  a. Sobre la perpendicular en N a MN, se lleva NO ′  r a .
Se prolonga OO ′ hasta que corte a MN en A. Desde A se traza la tangente a O, que lo es también a
O ′ . La tangente común a O y O ′ , distinta de las trazadas desde A, da los vértices B y C.
80
C 7- Construir un triángulo conociendo r a , r b y c.
Solución:
A
Ob
B M
C
N
Oa
Se traza MN  c, y se levantan en sus extremos, las perpendiculares MO a  r a y NO b  r b , a
distintos lados de MN (se tiene en cuenta que la distancia entre los puntos de tangencia de dos
circunferencias exinscritas situadas del mismo lado de un determinado lado del triángulo -en este
caso, del AB-, es igual a la longitud de este). Las tangentes comunes a O a y O b , determinan, junto
con la recta MN, los vértices A, B, C del triángulo.
C 8- Dado un ángulo A y un punto P, exterior al ángulo, trazar por P una recta que corte a los lados
del ángulo en los puntos B y C, de forma que el triángulo ABC sea de perímetro 2p dado.
Solución:
A
P
B
F
D
C
E
O
Se traza la bisectriz AO del ángulo dado. Sobre los lados del ángulo se llevan AD  AE  p. Se
levantan las perpendiculares en D y E, que se cortan en O, sobre AO. Se traza la circunferencia de
centro O y radio OD  OE. Desde P se traza la tangente PF (situada entre A y O) a la
circunferencia, que da los vértices B y C.
C 9- Construir un triángulo conociendo a, b  c y w a .
Solución:
F
B
E
D
V
Oa
A
O
C
Los centros O, de la circunferencia inscrita, y O a , de la exinscrita en A, son conjugados armónicos
de A y V, pie de la bisectriz interior de A. Los pies de las perpendiculares trazadas desde dichos
puntos, sobre AB, es decir F y D, son conjugados armónicos de E (pie de la perpendicular desde V)
y A. Se conocen FD  a y AF  p  a  b  c , luego también se conocen AD y AE. Por tanto,
2
para construir el triángulo, se toma AF  p, y FD  a; se halla E, conjugado armónico de A
respecto de F y D; se traza la perpendicular EV a,BD, y desde A se corta con AV  w a . Las
perpendiculares por D y F, a AB, dan O y O a sobre AO. Trazadas las circunferencias de centros O
y O a , con radios respectivos OD y O a F, su tangente común determina los vértices B y C.
81
C 10- Construir un triángulo conociendo 2p, A y R, radio de la circunferencia circunscrita.
Solución:
D
O’ A
E
O
C
B
Supuesto resuelto el problema, se prolonga el lado AB en una longitud AD  AC, con lo que el
ángulo ADE  ACE  A , es decir que el punto D está sobre el arco capaz de A sobre BC, siendo
2
2
BD  BA  AC  b  c. Por tanto, para construir el triángulo, se traza la circunferencia de radio R,
con centro en un punto O; en un punto cualquiera de ella se coloca el ángulo A, que cortará a la
circunferencia en dos puntos B y C, que definen un lado del triángulo (la circunferencia
circunscrita corresponde al arco capaz de A sobre el lado opuesto BC). Sobre BC se traza el arco
capaz de A , cuyo centro es O ′ situado sobre la mediatriz de BC. Con centro en B y radio
2
2p − a  b  c, se corta en D el arco capaz O ′ . Se levanta la mediatriz EA de DC, que corta en A a
la circunferencia circunscrita O.
C 11- Construir un triángulo conociendo a, b  c y r, radio del círculo inscrito.
Solución:
C
T’
Oa
O
A
PB
T
Se traza un círculo de radio r, y en un punto P cualquiera de ella, se traza la tangente AB. A partir
de P, se lleva sobre la tangente, en un sentido, la longitud PT  a, y en el sentido opuesto, la
longitud PA  p − a  b  c − a . Desde el punto A se trazan las tangentes a O, AT  AT ′  p.
2
Las perpendiculares a estas tangentes, en T y T ′ , dan el punto O a , centro del círculo exinscrito. Se
traza este círculo con radio O a T  O a T ′ . La tangente común a O y O a , determina los vértices B y
C.
C 12- Construir un triángulo conociendo b − c, r y A.
Solución:
C
N
M
T
A
Oa
O
S
B
V
Supuesto resuelto el problema, se tiene que la distancia ST, entre los puntos de tangencia con el
lado BC, del círculo inscrito O y del círculo exinscrito O a , respectivamente, es b − c. Prolongando
OS una longitud SV  O a T  r a , se tiene que r  r a  2  b − c 2  OO 2a . En los triángulos AOM
82
2
2
r  r a − r , luego r  r a  2  b − c 2  r a − r  AO , es decir:
OO a
AO
r2
AO 2 − r 2 r 2a − 2rAO 2  r 2 r a −
−r 2 r 2  b − c 2 − AO 2  0. De esta ecuación se obtiene r a , pues se conocen todos los restantes
y AO a N, se tiene
elementos (AO es conocido, pues se conocen el ángulo A y el radio r del círculo inscrito). Por
tanto, para construir el triángulo, se traza el ángulo A y el círculo inscrito O, se calcula r a obtenido
de la ecuación anterior y se traza el círculo exinscrito O a . La tangente común a O y O a , determina
los vértices B y C.
Nota: La obtención de r a , a partir de la citada ecuación, puede hacerse gráficamente.
C 13- Construir un triángulo equilátero de área dada S, y cuyos lados pasan, cada uno, por un punto
dado.
Solución:
A
P
O1
O
D
B
M
C
N
A
Q
E
O2
F
B
Sean M, N y P, los tres puntos dados. Los vértices A, B y C se hallan sobre arcos capaces de 60º
2 S
trazados sobre PM, MN y NP. El lado a del triángulo ABC pedido, es conocido, igual a
.
4 3
Supuesto resuelto el problema, sean O 1 y O 2 , los centros de dos de los arcos capaces (figura de la
derecha), y sea AB el lado del triángulo que pasa por Q, intersección de dichos arcos capaces.
Trazando por O 2 la paralela O 2 D a AB, siendo D el pie de la perpendicular trazada sobre ella desde
O 1 , se tiene que DO 2  a y O 1 DO 2  90º. Luego para inscribir el lado AB, se traza una
2
circunferencia con centro el punto O medio de O 1 O 2 y radio O 1 O 2 , y se corta por la
2
circunferencia de centro O 2 y radio a , obteniéndose el punto Q, por el que se traza la paralela AB
2
a DO 2 . La obtención del vértice C, no reviste dificultad.
C 14- Construir un triángulo conociendo A, c − a, y la diferencia entre los segmentos que h b determina
en el lado AC.
Solución:
Supuesto resuelto el problema, sea AM la diferencia entre los segmentos HA y HC, que BH
determina en AC, y sea AN  c − a, por lo que los triángulos BCM y MBN son isósceles,
cortándose sus alturas BH y BP en el vértice B. En consecuencia, para construir el triángulo, se
traza el ángulo A, llevando sobre uno de sus lados AM  HA − HC, y sobre el otro lado,
AN  c − a. La mediatriz PB de MN corta en B a la paralela a AM trazada a una distancia AH  h b ,
de AM. El vértice C es el simétrico de M respecto a H.
83
C 15- Construir un triángulo conociendo m b , h a y h c .
Solución:
A
B’
M
K
H
B
C
D
E
Supuesto resuelto el problema, se construye el paralelogramo ABCB ′ , formado por los lados AB y
BC del triángulo, y las paralelas AB ′ y CB ′ a dichos lados. Las diagonales AC y BB ′ , se cortan en
su punto medio M. La circunferencia de centro M y radio MB  MB ′ , corta en E a CB ′ , siendo el
ángulo BEC  90º, con lo que BE  CK  h c . Por tanto, para construir el triángulo, se traza una
circunferencia de radio m b , y desde los extremos B y B ′ de uno de sus diámetros, con radios
respectivos h c y h a , se corta a dicha circunferencia en los puntos E y D. El vértice C queda
determinado por la intersección de BD y B ′ E. La paralela B ′ A a BC, determina el vértice A.
C 16- Construir un triángulo conociendo m a , h a y A.
Solución:
A’
A
D
B
H M
E
C
Siendo AH  h a y AM  m a , se construye el triángulo rectángulo AHM. Sobre HM, y a uno y otro
lado de M, se llevan segmentos iguales cualesquiera MD  ME. Sobre DE se traza el arco capaz de
A, y se prolonga MA hasta que corte al arco capaz en A ′ , trazándose A ′ D y A ′ E. Por A se trazan las
paralelas a A ′ D y A ′ E, obteniéndose AB y AC.
Nota: Los triángulos ABC y A ′ DE son homotéticos con centro de homotecia M.
C 17- Construir un triángulo conociendo m a , A y b − c.
Solución:
A
F
B
C
D
E
El triángulo ACE, en el que E es el simétrico de A respecto a D, punto medio de BC, se puede
construir, pues se conocen AE  2m a , ACE  180º − A, y AC − CE  b − c; para lo cual se traza
sobre AE el arco capaz de 180º − A, que se corta en F mediante un arco de centro A y radio
AF  b − c. Prolongando AF se tiene C. Trazando por A la paralela AB a CE, y prolongando CD,
se obtiene B.
84
C 18- Construir un triángulo conociendo las bisectrices, w a , w b y w c , en posición, y un punto M
situado en el lado BC.
Solución:
A
P
wb
wc N’
P’
N
B
M
C
M’
wa
El simétrico N de M respecto de la bisectriz w b , se encuentra sobre AB. El simétrico P ′ de N
respecto de la bisectriz w a , se encuentra sobre AC. El simétrico M ′ de P ′ respecto de la bisectriz
w c , se encuentra sobre BC. El simétrico P de M respecto de w c , se encuentra sobre AC. El
simétrico N ′ de P respecto de w a , se encuentra sobre AB. Las rectas MM ′ , NN ′ y PP ′ , determinan
los vértices A, B y C.
m
C 19- Construir un triángulo conociendo m b , A  C y a
c  n.
Solución:
A
A’
M’
M
B
C
C’
Se traza un ángulo A ′ BC ′  180º − A  C . Sobre uno de sus lados se lleva BA ′  n, y sobre el
otro, BC ′  m. Sea M ′ el punto medio de A ′ C ′ . Se traza BM ′ , y se lleva BM  m b . La paralela
AMC a A ′ C ′ , determina los vértices A y C.
C 20- Construir un triángulo conociendo h c , c y el ángulo b, m a .
Solución:
A
H
B
C
M
A’
Sea ABC el triángulo buscado. Se conoce CAM  MA ′ B  b, m a , por tanto A ′ está sobre el arco
capaz del ángulo b, m a sobre AB  c, además de estar sobre la paralela CA ′ a AB, trazada a una
distancia de esta igual a h c .Para construir el triángulo, se traza sobre AB  c, el arco capaz de
b, m a , que se corta en C por la paralela a AB trazada a una distancia h c .
85
C 21- Construir un triángulo conociendo a, b − c y la bisectriz exterior w ′a .
Solución:
N
A
M
D
E
B
C
Supuesto resuelto el problema, sea CD  b − c, AE  w ′a , y CM y BN las bisectrices de los
ángulos C y B.. Se tiene EAD  90º  A  BDC, luego BD y AE son paralelas, por lo que
2
DC  AC  AM  b − c . Por tanto el punto M se conoce, pues está en una relación conocida
a
ME
CB
EC
con A y E. El punto N también se conoce, pues es el conjugado armónico de M con relación a E y
A. Se traza la semicircunferencia de diámetro MN, que pasa por B y C, y desde E se traza la secante
EBC, de forma que determine en la semicircunferencia una cuerda BC  a. Para construir el
triángulo se procede situando sobre AE los puntos M y N como se ha indicado más arriba. Se traza
la semicircunferencia de diámetro MN, y desde E se traza, de la forma indicada, la secante EBC.
C 22- Construir un triángulo conociendo la bisectriz interior AD, AC − CD y AB − BD.
Solución:
A
D’
B’
B E
C’
C
D
Siendo AB ′  AB − BD, AC ′  AC − CD, y DE la proyección de AD sobre BC, se tiene:
′
′
DC
BD

, de donde AB  AC . En el triángulo ABD, se tiene que
′
′
′
′
BD
CD
AB  B B
AC  C C
AB ′  B ′ B 2  AD 2  BD 2 − 2  AD  BD  ED. En el triángulo ADC, se tiene que
AC ′  C ′ C 2  AD 2  CD 2  2  AD  CD  ED. Eliminando ED, y teniendo en cuenta la relación
2
′
′
2
′
′
anterior, se obtiene BD  AD − AB ′ AC , CD  AD − AB ′ AC ,
2  AC
2  AB
2
′
′
AB ′  AC ′ AD 2 − AB ′  AC ′ 
′
, AB  AB  BD  AD  AB ′ AC ,
BC 
′
′
2  AB 2 AC ′
2  AC
′
AC  AC ′  CD  AD  AB ′ AC . Luego se conocen los tres lados del triángulo ABC.
2  AB
C 23- Construir un triángulo conociendo a, h a y 2p.
Solución:
C
T’
Oa
M’
O
A
MB
T
Como S  r  p  a  h a , r  a  h a . Conociéndose r, se traza el círculo O de radio r, y una
2
2p
86
tangente AT en un punto cualquiera M de O. Sobre la tangente, se lleva MA  p − a, y en sentido
contrario AT  AT ′  p. Las respectivas perpendiculares en T y T ′ dan O a , cuyo círculo se traza.
La tangente común a O y O a , determina los vértices B y C.
C 24- Construir un triángulo conociendo m a , m c y el ángulo b, m b .
Solución:
M
A
D
O
Q
G
N
P
B
C
Supuesto resuelto el problema, siendo G el baricentro del triángulo ABC, se trazan por A y C las
paralelas AM  CN  BG  2  m b , obteniéndose el paralelogramo AMNC de centro D, cuyas
3
diagonales son MC  2  MD  2  AG  4 m a , y AN  2  AD  2  GC  4 m c , siendo
3
3
ACN  AOD  BOC   b, m b (o su suplementario). Luego se puede construir el paralelogramo
AMNC, para lo cual se traza el arco capaz de ACN sobre AN, y con centro D, punto medio de AN,
se traza una circunferencia de radio DC  MC , que corta al arco capaz en C. Las paralelas AG y
2
CG a MC y AN, respectivamente, dan G. Prolongando OG una longitud GB  2  GO, se obtiene
B.
C 25- Construir un triángulo circunscrito a un círculo dado de centro O, sabiendo que sus vértices
están sobre tres semirrectas dadas que parten de O.
Solución:
wa
A
Q
T
M
N
O
P
wb
wc
C
B
Las tres semirrectas dadas corresponden a las tres bisectrices del triángulo pedido ABC,
resolviéndose el problema por simetría. Se toma sobre el círculo dado, un punto M cualquiera, y se
hallan los sucesivos simétricos: N, simétrico de M respecto de w a , P simétrico de N respecto de w b
y Q, simétrico de P respecto de w c . Si M hubiera sido el punto de tangencia de AC con O, hubiera
coincidido con Q. Luego dicho punto de tangencia T, se obtiene mediante el radio OT,
perpendicular a MQ. La tangente en T determina los vértices A y C, y las tangentes desde estos
determinan el vértice B.
87
C 26- Construir un triángulo conociendo b − c, r a y A.
Solución:
C
N
M
T
A
Oa
O
S
V
B
Supuesto resuelto el problema, se tiene que la distancia ST, entre los puntos de tangencia con el
lado BC, del círculo inscrito O y del círculo exinscrito O a , respectivamente, es b − c. Prolongando
OS una longitud SV  O a T  r a , se tiene que r  r a  2  b − c 2  OO 2a . En los triángulos AOM
r − r 2  AO 2a
y AO a N, se tiene r a  r a − r , luego r  r a  2  b − c 2  a
, es decir:
AO a
OO a
r 2a
AO 2a − r 2a r 2 − 2r a AO 2a  r 2a r − r 2a r 2a  b − c 2 − AO 2a  0. De esta ecuación se obtiene r,
pues se conocen todos los restantes elementos (AO a es conocido, pues se conoce el ángulo A y r a ,
radio del círculo exinscrito en A). Por tanto, para construir el triángulo, se traza el ángulo A y el
círculo exinscrito O a , se calcula r obtenido de la ecuación anterior y se traza el círculo inscrito O.
La tangente común a O y O a , determina los vértices B y C.
Nota: la obtención de r, a partir de la citada ecuación, puede hacerse gráficamente.
C 27- Se da un ángulo A y un punto P en su interior. Trazar un triángulo PQR, inscrito en A, que sea
de perímetro mínimo.
Solución:
R
M
C
P
A
N
Q B
El triángulo de perímetro mínimo inscrito en un triángulo dado, es el órtico. Por tanto, se traza la
perpendicular por P a AP, que corta en B y C a los lados de A; por B se levanta la perpendicular BR
a AC, y por C la perpendicular CQ a AB. El triángulo PQR es el pedido, pues es el órtico del ABC.
Nota: Ver el problema B 7.
C 28- Construir un triángulo conociendo r a , r b y a  b.
Solución:
Ob
C
Oa
M
B
A
N
MN, tangente común de O a y O b , mide a  b. Por tanto se trazan las perpendiculares a MN,
MO b  r b , NO a  r a. . Las tangentes comunes interiores a O a y O b , determinan con MN, el
triángulo ABC.
88
C 29- Construir un triángulo conociendo a, A y w a .
Solución:
F
A
B
V
C
E
D
Supuesto resuelto el problema, sea AV la bisectriz dada, que corta al círculo circunscrito en D,
teniéndose que EV y AF son antiparalelas en el triángulo ADF (DF es el diámetro perpendicular a
BC). Luego DV  DA  DE  DF  DB 2 . Luego se conoce la diferencia y el producto de AD y DV.
Para construir el triángulo, se traza sobre BC  a, el arco capaz de A. El diámetro perpendicular a
BC, determina D. Se obtienen AD y VD, conociéndose su diferencia y su producto. Con centro D y
radio DA, se corta el arco capaz en A.
C 30- Construir un triángulo conociendo a, A y b  c .
b−c
Solución:
L
O
A
M
B
C
O’
Supuesto construido el triángulo ABC, se prolonga CA en AL  AB  c, y se lleva sobre AC a
partir de A, AM  AB  c, con lo que CL  b  c . Se tiene que BLC  A y BMC  90º  A .
2
2
CM
b−c
A
(arco
Para construir el triángulo, se trazan sobre BC  a, los arcos capaces de A (arco BAC),
2
BLC) y 90º  A (arco BMC). Con centro de homotecia C y razón b  c se obtiene la
2
b−c
circunferencia homotética del arco capaz BMC, que corta al arco capaz BLC en L. La recta CL
corta al arco capaz BAC, en A.
C 31- Construir un triángulo conociendo el lado del cuadrado inscrito con un lado apoyado en BC, el
ángulo A y la razón en la que otro vértice del cuadrado divide a AB.
Solución:
F’
D
B
A
E
F
GC
Se construye el cuadrado DEFG, de lado dado, estando BC sobre su lado FG. Sobre DE se traza el
′
arco capaz de A. Se prolonga FD hasta F ′ , de forma que DF  AD . La paralela por F ′ a DE
DF
DB
corta al arco capaz en A (puede haber una, dos o ninguna solución). Uniendo A con D y E, se
obtienen B y C.
89
C 32- Construir un triángulo conociendo a, A y w ′a .
Solución:
E
A
O
B
F
D
C
G
Supuesto resuelto el problema, sea AD  w ′a , la bisectriz exterior, que corta a la circunferencia
circunscrita en E. Siendo EG el diámetro perpendicular a BC, se tiene en el triángulo GED, que GA
y DF son antiparalelas, por lo que EA  ED  EF  EG  EC 2 , es decir que se conoce el producto
y la diferencia de ED y EA. Para construir el triángulo, se traza el arco capaz de A sobre BC  a, y
el diámetro EG perpendicular a BC, con lo que se conoce EC. Se obtienen EA y ED, pues se
conocen su producto EC 2 , y su diferencia AD. Con centro E y radio EA se corta el arco capaz en A.
C 33- Construir un triángulo conociendo a, m b y A.
Solución:
A
M
O
D
B
C
Sobre BC  a, se traza el arco capaz de A. Con centro en B y radio m b , se traza una circunferencia,
lugar geométrico de M, punto medio de AC. Con centro de homotecia C y razón 1 , se obtiene la
2
homotética del arco capaz trazado sobre BC, que es también lugar geométrico de M, por lo que M
se encuentra en la intersección de las dos circunferencias trazadas. CM corta al arco capaz sobre
BC, en A.
C 34- Dado un ángulo y un punto P en su interior, trazar por este punto una recta que forme con los
lados un triángulo de área dada.
Solución:
B
M
A
P
H
N
C
Sea ABC el triángulo pedido, siendo A el ángulo dado. Desde P se trazan las paralelas PM y PN a
los lados del ángulo, y sea PH la perpendicular trazada desde P sobre AC. Los triángulos ABC y
2
AN  NC 2
PNC son semejantes, por lo que S ABC  AC 2 
 2  S ABC . Como AN y PH son
S PNC
PH  NC
NC
NC 2
conocidos,
se
tiene
la
siguiente
ecuación,
con
NC
como
incógnita:
S
ABC
2
2
NC  AN  0 (se trata de obtener dos segmentos cuya suma y producto se
NC  2 AN −
PH
conocen). Conocido NC, se obtiene B prolongando CP.
90
C 35- Construir un triángulo conociendo m a , m b y C.
Solución:
A
O’
O
N
G
B
C
M
Se traza sobre AM  m a , el arco capaz de C (circunferencia de centro O). El lugar geométrico de
N, punto medio de AC, es la circunferencia O ′ , homotética de la anterior, con centro de homotecia
A y razón 1 . Siendo AG  2 m a , se traza con centro G y radio GN  1 m b , una circunferencia
2
3
3
lugar geométrico de N. La intersección de esta circunferencia con la de centro O ′ , determina el
punto N. La recta AN corta en C a la circunferencia de centro O. Prolongando NG una longitud
GB  2 m b , se obtiene B..
3
C 36- Construir un triángulo conociendo en magnitud y posición, la mediana AM, y dos
circunferencias O 1 y O 2 , sobre las que se encuentran los vértices B y C, respectivamente.
Solución:
A
C’
B
O2
M
O1
O’1
C
Se halla el círculo O ′1 , simétrico del O 1 , respecto de M Los círculos O 2 y O ′1 se cortan en C. La
recta CM corta en B a O 1 (los círculos O 2 y O ′1 pueden ser tangentes, cortarse en dos puntos o no
cortarse)
C 37- Construir un triángulo conociendo tres puntos que dividen a cada uno de los tres lados según
razones dadas.
Solución:
A
N
M
B
P
M’
C
M’’
Supuesto resuelto el problema, sean M, N y P, los puntos tales que MB  m, NA  n y
NC
MA
PC  p. Con centro de homotecia N y razón 1 , se traza M ′ C, homotética de AB, siendo M ′ el
n
PB
punto homólogo de M. A continuación se halla el homotético de M ′ C, con centro de homotecia P y
razón 1p , que da M ′′ B. El lado AB se encuentra sobre MM ′′ . Luego hallando el homotético M ′ de M
y M ′′ de M ′ , se obtiene el lado AB en posición. Procediendo de forma similar con N y P, se
obtienen las rectas que determinan los vértices del triángulo.
91
C 38- Construir un triángulo conociendo a, A y c  3b.
Solución:
D
F
A
E
C
B
Supuesto resuelto el problema, sea ABC el triángulo pedido, y sea AD  3  AC, es decir
BD  c  3b. El ángulo CAD  180º − A. Se puede construir un triángulo cualquiera EAF, en el
que EAF  180º − A, y AF  3  AE. Para construir el triángulo pedido, se traza en el extremo D
de BD  c  3b, el ángulo BDC  AFE. Con centro B y radio a, se corta en C el lado DC. Desde C
se traza CA formando con BD el ángulo A.
C 39- Construir un triángulo equilátero A ′ BC ′ , equivalente a otro cualquiera dado ABC, de modo que
el vértice B sea común, y el lado A ′ C ′ esté sobre BC.
Solución:
A’
A
B’
C’ C
B
Se forma el triángulo BB ′ C, equivalente al dado, siendo CBB ′  60º, para lo cual B ′ está sobre la
paralela AB ′ a BC. Seguidamente se traza el triángulo A ′ BC ′ , equivalente al BB ′ C, estando A ′ sobre
BB ′ , es decir que BB ′  BC  BA ′  BC ′  BA ′2  BC ′2 . Por tanto BA ′ es media proporcional entre
BB ′ y BC.
C 40- Construir un triángulo conociendo A, b  c y a  c.
Solución:
E
C
C’1
A
B1 B
C1
D
Sea ABC el triángulo pedido, y sean AD  c  a y AE  b  c. Tomado un punto B 1 sobre AD, se
lleva B 1 D  B 1 C 1 , y AB 1  EC ′1 . Por tanto, sobre AE se establecen dos series de puntos: C i y C ′i .
Los puntos dobles resuelven el problema.
92
C 41- Construir un triángulo conociendo b  c, m a y B − C.
Solución:
H
A
B
A’
C
M
Sea ABC el triángulo pedido. Sea A ′ BC su simétrico respecto a la mediatriz MH de BC.
ABA ′  A ′ CB  B − C. El área del ABA ′  1  AB  BA ′  sin ABA ′  1 bc sin B − C , es
2
2
bc sin B − C
.
conocida. El área del AMA ′  S ABA ′  1  AM 2  sin AMA ′ . Luego, sin AMA ′ 
2
m 2a
Para construir el ABC, se obtiene el ángulo AMA ′ , según la fórmula anterior, y se traza el triángulo
AMA ′ . Sobre AA ′ se traza el arco capaz de B − C, que se corta por la paralela a AHA ′ trazada desde
M,
obteniéndose
B
y
C.
Nota: Todos los cálculos anteriores se pueden resolver gráficamente.
C 42- Por un punto dado sobre la bisectriz exterior de un ángulo, trazar una recta que determine entre
los lados un segmento de longitud dada.
Solución:
E
A
O
B
F
D
C
G
El problema se reduce al C 32. En efecto, el punto dado es D, la bisectriz exterior es AD, el ángulo
es BAC y el segmento dado es BC.
C 43- Construir un triángulo conociendo a, B y b − h a .
Solución:
A
C’’
C’
BH
T
B’
C
A’
Con centro en el extremo C de BC  a, se traza el círculo de radio b − h a . Se traza el lado AB del
ángulo B, y se halla el simétrico BC ′ de BC respecto a AB. El círculo tangente a BC y a BC ′ , y al
círculo C, tiene su centro en A, por ser su radio h a . Se trata del problema de Apolonio r, r, C, que
se puede reducir al r, r, P, trazando las paralelas C ′′ B ′ y B ′ A ′ , siendo C ′′ C ′  C ′′ C  CT 2 . Dibujado
el círculo que pasa por C y es tangente en T a C ′′ B ′ , se traza su concéntrico con un radio menor en
la cantidad b − h a . Este círculo es tangente a BC en H, pie de la altura h a .
93
C 44- Construir un triángulo conociendo h a , B − C y bc.
Solución:
A
B
A’
C
H
Supuesto resuelto el problema, sea ABC el triángulo pedido y sea A ′ BC su simétrico respecto a la
mediatriz de BC, siendo por tanto, ABA ′  ACA ′  B − C. El área del ABC es ah a  abc ,
4R
2
siendo R el radio de su círculo circunscrito. Luego R  bc , conocido. Para construir el triángulo,
2h a
se traza la circunferencia circunscrita de radio R. En un punto cualquiera de ella, se traza el ángulo
ABA ′  B − C, que delimita la cuerda AA ′ , y por B se traza la paralela BC a AA ′ .
C 45- Construir un triángulo ABC, igual a otro dado, conociendo dos puntos M y N situados
respectivamente, en AB y AC, y sabiendo que la bisectriz del ángulo A, es tangente a un círculo
dado.
Solución:
A
O
M
N
C
D
B
O’
T
Se traza el arco capaz de A sobre MN, y por el punto medio D del arco MDN, se traza la tangente
DT al círculo dado (se pueden trazar dos tangentes). La intersección de la tangente con el arco
capaz determina el vértice A. Sobre AM y AN, se llevan las longitudes conocidas AB y AC.
C 46- Construir un triángulo conociendo w a , B y la distancia del vértice C a w a .
Solución:
A
r
C’1
B1
V
C
C1
B
Se traza el arco capaz de B sobre AV  w a , y la recta r, paralela a AV a una distancia de esta igual
a la de C a w a (C está en r). Se toma un punto C 1 sobre r. Unido con V, se obtiene B 1 . Se lleva el
ángulo VAC ′1  B 1 AV, obteniéndose el punto C ′1 . Los puntos dobles de las series C i y C ′i dan la
solución.
94
C 47- Construir un triángulo w ′a , B y la distancia de C a w ′a .
Solución:
A
C
V
B
V’
r
O
Trazada AV ′ y su paralela r, situada a la distancia dada, y trazada AV, perpendicular a AV ′ por A, y
siendo O el punto de intersección de AV con r, se tiene que los rayos OV y OV ′ son conjugados
armónicos de OB y OC. Por tanto, hallado OB, cortará al arco capaz de B sobre AV ′ , en B, que
unido con V ′ determinará C sobre r.
Nota: Este razonamiento es también aplicable al problema C 46, así como el razonamiento
utilizado en C 46, es aplicable al C 47.
C 48- Construir un triángulo conociendo m a , b 2 − c 2 y el ángulo a, m a .
Solución:
A
H
B
M
C
Se construye el triángulo rectángulo AHM. Se tiene que AC 2 − AB 2  2  BC  HM, de donde
2
2
BC  a  b − c . Se lleva sobre MH, a uno y otro lado de M, la longitud a , obteniéndose B y
2
2  MH
C.
C 49- Construir un triángulo de base BC dada, cuyo vértice A se encuentra sobre una recta r dada,
conociéndose B − C.
Solución:
r
O
m
r’
A’
A
E
F n
M
B
C
O’
D
Sea ABC el triángulo pedido, y A ′ BC su simétrico respecto a la mediatriz de BC, y sea r ′ la
simétrica de r. Se traza una paralela cualquiera mn a BC, y se fijan sobre ella dos puntos E y F
simétricos respecto a la mediatriz de BC. Se traza sobre EF el arco capaz de B − C. Se une O,
intersección de r y r ′ , con B, que corta en D al arco capaz. Por B se traza BA, paralela a DE, que
corta a r en A.
95
hb .
hc
C 50- Construir un triángulo conociendo h a , b  c y
Solución:
A
H
B
C
Siendo bh b  ch c , c  h b . Luego b y c se obtienen, pues se conoce su suma y su cociente. Se
b
hc
trazan dos paralelas a una distancia entre sí igual a h a . Con centro un punto A cualquiera de una de
ellas, y radios b y c, se corta la otra paralela en B y C.
C 51- Construir un triángulo circunscrito a otro dado, conociendo las razones en que cada vértice de
este, divide a cada lado de aquel.
Solución:
A
J
H
B
I
C
Se resuelve como el C 37.
C 52- Construir un triángulo conociendo A, h a y b  c.
Solución:
E
F
A
B
G
H
C
D
Suponiendo resuelto el problema, con centro A y radio AC se traza una circunferencia que corta a
BC en G, que unido con A determina E sobre la circunferencia, siendo BCE  90º. Los triángulos
GHA y GEC son semejantes, luego h a  GA  1 , CE  2h a . La recta EF corta a BC en D,
CE
GE
2
siendo CED  CAF  90º − A . El triángulo CDE es conocido, por ser rectángulo, conocerse
2
2
CED, y por ser CE  2h a . Por tanto, se conoce CD. Los triángulos BCF y DBF son semejantes,
BC  b  c , luego BC  BC  CD  b  c 2 . Como se conoce CD, se halla BC. En el
BD
bc
triángulo BCF, se conocen BF  b  c, BFC  A y BC, por lo que se puede construir. El punto
2
de intersección de BF con la paralela a BC a la distancia h a , es A.
C 53- Construir un triángulo conociendo A, el lado a en magnitud y la recta sobre la que está, y dos
puntos por los que pasan AB y AC.
96
Solución:
A1
A
M
N
C C1C’1
B B1
Sean M y N, los puntos por los que pasan AB y AC, respectivamente. Se traza sobre MN el arco
capaz de A. Elegido un punto B 1 sobre BC, se une con M. La recta B 1 M corta al arco capaz en A 1 ,
que unido con N determina C 1 sobre BC. Llevando sobre BC, B 1 C ′1  a, se obtiene C ′1 . De esta
forma hay dos series de puntos sobre BC: C i y C ′i . Los puntos dobles solucionan el problema.
C 54- Construir un triángulo conociendo los pies de h a , m a y w a , y el radio R del círculo circunscrito.
Solución:
A
B
F
O
H D
M
C
E
Supuesto resuelto el problema, sean H, M y D, los pies de h a , m a y w a . Los triángulos AHD y
EMD son semejantes, teniéndose AD  DH . Luego AD  DE  DH  DM , es decir
DE
DM
DH
AD
AE  m  n . Al ser OAF  OEF, AF  AE  m  nAD  FE. En los triángulos
m
AD
2
2m
ADm  n
R
semejantes OEF y ADH, se tiene

. Siendo AD 2  h 2a  m 2 , se obtiene
AD
2mh a
m  nh 2a  m 2 
a
2
, es decir h 2a − 2mRh
Rh a 
m  n  m  0, de donde se obtiene h a . Para construir
2m
el triángulo pedido ABC, se traza la recta MDH, se levanta su perpendicular HA  h a , calculada
según la fórmula anterior. Desde A como centro y radio R, se corta a OM (perpendicular en M) en
O. Con centro en O y radio R, se obtienen B y C, sobre MDH.
C 55- Construir un triángulo conociendo a, bc y 2p ′ , perímetro de su triángulo órtico.
Solución:
A
A’
O
H
B
S ABC  Rp ′  ah a  abc , h a 
2R
2
M
bcp ′
1
a ,R  2
C
abc . Luego se conocen h a y R. Por tanto, se
p′
2
traza la mediatriz de BC y sobre ella se lleva la distancia MO  R 2 − a . Con centro en O y
4
abc
1
, se traza la circunferencia circunscrita. Se traza una paralela a BC a una
radio R 
2
p′
bcp ′
′
distancia AH  h a 
a , que corta a la circunferencia en A y A .
97
C 56- Construir un triángulo conociendo a, b  c y m a .
Solución:
A2
A1
M
B
C
A4
A3
2
2
2
2
b  c 2
Como m 2a  b  c − a , bc 
− a − m 2a . Por tanto se conoce el producto y la suma
2
4
2
4
de b y c. Otra solución consiste en trazar la elipse lugar geométrico de los puntos cuya suma de
distancias a B y C, sea b  c. Con centro M, punto medio de BC, se traza una circunferencia de
radio m a , que corta a la elipse en cuatro puntos A, que solucionan el problema.
C 57- Construir un triángulo conociendo b, c y la recta AM, siendo M un punto que divide al lado a en
una relación conocida.
Solución:
A
O
B’
O’
B
M’
M
C’
C
Sobre un segmento cualquiera B ′ C ′ , se traza una circunferencia O, lugar geométrico de los puntos
′ ′
cuya relación de distancias a B ′ y C ′ , sea bc . Sea M ′ el punto de B ′ C ′ tal que M′ B ′  MB . Sobre
MC
MC
M ′ C ′ se traza la circunferencia O ′ , lugar geométrico de los puntos cuya relación de distancias a M ′
y C ′ , sea AM . Las circunferencias de centro O y O ′ , se cortan en A. El triángulo pedido ABC, es el
b
homotético del AB ′ C ′ , con centro de homotecia A y razón c ′ .
AB
C 58- Construir un triángulo conociendo m a y r, y sabiendo que los lados están en progresión
aritmética de razón d, siendo el lado a el intermedio.
Solución:
A
O
B
G
L DN
M
C
Sea O el incentro y G el baricentro; OG es paralela a BC. Sea AGM la mediana m a , AD la bisectriz
de A, y sean L y N las proyecciones de O y G sobre BC. Se tiene que 2p  3a. El triángulo GNM
se puede construir, pues GN  r y GM  m a . OG  2  DM , DM  CD − CM, CD  a  d ,
BD
3
3
a−d
98
CD  BD  a  2a , CD  a  d , DM  a  d − a  d , OG  d . Luego construido
CD
2
2
2
2
3
CD
ad
d
GNM, se traza GO  , paralela a MN. Las tangentes desde A al círculo de centro O y radio r,
3
determinan B y C sobre MN.
C 59- Sobre los lados ABC de un triángulo, se construyen exteriormente cuadrados ABDE, BCFG y
CAHI. Prolongando DE, FG y HI, se forma el triángulo abc. Conocido el abc, construir el ABC.
Solución:
a
E
a’
I
A
D
A’
B
B’
H
C’ C
c’
b’
b
c
F
G
Los triángulos ABC y abc son homotéticos, con centro de homotecia el punto K de Lemoine
′2
′2
′2
(intersección de las simedianas), siendo la razón   1  a  b ′  c , siendo a ′ , b ′ y c ′ los
2S
lados del triángulo abc, y S ′ su superficie.
Nota: Las coordenadas normales absolutas de K (distancias de K a los tres lados del triángulo),
son: a , b , c , siendo   2 4S2
; como las coordenadas son proporcionales a los
2
2
2
a  b  c2
lados, K es el centro de homotecia del ABC y del triángulo formado por los lados exteriores de los
cuadrados construidos sobre los lados del ABC.. Por otro lado, siendo las coordenadas normales
del baricentro G: h a , h b , h c (sus coordenadas normales absolutas son: 2S ,...), las coordenadas
3
3 3
3a
de K son las inversas de las de G.
C 60- Construir un triángulo dados los centros de los círculos de Apolonio y el vértice opuesto a uno
de los lados en que se encuentra uno de los centros.
Solución:
c
A
B
D
C
a
E
b
Sean a, b y c los centros de los círculos de Apolonio, y A el vértice al que corresponde a. Las
rectas cA y bA determinan los lados AB y AC en posición. Por tanto, se conocen las bisectrices AD
y AE en posición. El punto D está en la bisectriz y también en el círculo de centro a y radio aA, que
corta a la bisectriz AD en D.
Nota: UIn círculo de Apolonio pasa por un vértice y los pies de las bisectrices, interior y exterior,
correspondientes a ese vértice. Los centros de los tres círculos de Apolonio están alineados.
99
100
Sección D - CUADRILÁTEROS - OTROS POLÍGONOS
D 1- Rellenar un plano, supuesto ilimitado, con polígonos regulares iguales entre sí. Determinar con
qué clase de polígonos puede realizarse esta operación.
Solución: Se puede realizar esta operación con polígonos cuyos ángulos interiores sean divisores
exactos de 360º. El ángulo interior de un polígono regular de n lados, es 180º − 360º
n , luego ha de
360º
satisfacerse la igualdad 360º  k180º − n , siendo k un número entero. Las soluciones son el
triángulo equilátero (n  3, k  6), el cuadrado (n  4, k  4) y el exágono regular (n  6, k  3).
D 2- Trazar por un punto dado P una recta r que vaya a concurrir con otras dos, m y n, que se cortan
fuera de los límites del dibujo.
Solución:
m
m’
r
n’
Q
R’
S
X
P
A
Q’
C
n
B
R
Y
Se trazan desde P, las perpendiculares PQ y PR a m y n, así como sus paralelas m ′ y n ′ . Sobre m ′ se
lleva PR ′  PR, y sobre n ′ , PQ ′  PQ. Se trazan las paralelas R ′ S a n, y Q ′ S a m. La recta PS,
diagonal del paralelogramo PQ ′ SR ′ , es prolongación de PC, diagonal del paralelogramo PACB,
por lo que concurre en C con m y n. En efecto, ambos paralelogramos son semejantes, y son
iguales los ángulos que sus diagonales forman con sus lados.
Nota: Ver el problema B 19.
D 3- Dadas tres rectas concurrentes, trazar una recta que las corte determinando dos segmentos
iguales.
Solución:
M
A
B
O
C’
P
S
B’
C
N
A’
Sean AA ′ , BB ′ y CC ′ , las tres rectas concurrentes en O. Se toma, por ejemplo, el punto P sobre BB ′ ,
y se trazan por él las paralelas PM a AA ′ y PN a CC ′ . Se forma el paralelogramo PMON, cuyas
diagonales se cortan en su punto medio, luego MS  NS.
101
D 4- Construir un cuadrilátero inscriptible ABCD conociendo la diagonal AC, el ángulo D, la razón de
los lados AB , y la diferencia AD − CD.
BC
Solución:
B
O
C
A
O’
E
D
Se traza sobre AC, el arco capaz de D (circunferencia de centro O), y la circunferencia lugar
geométrico de los puntos cuya relación de distancias a A y C es la dada (circunferencia de centro
O ′ ); la intersección de estas circunferencias es el vértice B. Para determinar el vértice D, se conoce
AD − CD y el ángulo D (D está sobre el arco capaz ya trazado). Siendo DE  DC, se conoce
AE  AD − CD, y AEC  90º  D ; luego el triángulo AEC se puede construir. La mediatriz de
2
EC determina el vértice D sobre el arco capaz O.
D 5- Construir un eptágono conociendo los puntos medios de sus lados.
Solución: Sean las coordenadas de los siete puntos medios, con relación a cualquier par de ejes,
m 1 , n 1 , m 2 , n 2 ,...m 7 , n 7 . Siendo x, y las coordenadas del vértice A, las coordenadas de
los sucesivos vértices son:
B 2m 1 − x, 2n 1 − y , C 2m 2 − 2m 1  x, 2n 2 − 2n 1  y . . . G 2m 6 − 2m 5 . . . x, 2n 6 − 2n 5 . . . y .
Como el simétrico de G respecto a m 7 , n 7 debe coincidir con A x, y , se tiene que
x  m 7 − m 6  m 5 − m 4  m 3 − m 2  m 1 , y  n 7 − n 6  n 5 − n 4  n 3 − n 2  n 1 . Conocido por tanto
el vértice A, se obtienen los vértices B, C,...G, hallando los sucesivos simétricos respecto a los
puntos medios.
Nota: En relación con los polígonos de lados pares, cualquier punto A del plano y sus sucesivos
simétricos,
representan
una
solución,
pues
siempre
se
produce
que
m 2i  m 2i−1 . . .  m 2i−1  m 2i−1−1 . . . Es decir, en este caso, el conjunto de sus puntos medios
funciona como un espejo para cualquier A.
D 6- Construir un cuadrilátero ABCD, conociendo los cuatro lados y la recta MN que une los puntos
medios de dos lados opuestos AB y CD.
Solución:
E
C
F
H
B
M
N
A
D
Supuesto resuelto el problema, se trasladan los lados AB y AD, hasta las posiciones CE y CF. La
recta AF pasa por N, pues ACFD es un paralelogramo, cortándose sus diagonales en su punto
medio N. Siendo BF  2  MN, el triángulo BCF se puede construir, pues se conocen sus tres
lados. Una vez construido, se traza la circunferencia de centro B y radio BA, y la de centro C y
radio CD. El problema se ha reducido a inscribir en estas dos circunferencias, un segmento AD,
paralelo e igual a FC. Para ello, se traslada la circunferencia de centro B, paralelamente a FC y en
una magnitud FC. La intersección de esta circunferencia y la de centro C, determina el vértice D.
102
D 7- Construir un cuadrilátero ABCD, conociendo los cuatro lados y el ángulo AB, CD, formado por
los lados opuestos AB y CD.
Solución:
F
C
B
A
D
E
Trazada por B la paralela BE a CD, el triángulo ABE se puede construir, pues se conocen AB,
BE  CD y ABE  AB, CD. A continuación se construye el ADE, del que se conocen los tres
lados. Seguidamente, con centro en B y radio BC, y con centro en D y radio DC, se trazan dos
circunferencias, que se cortan en C.
D 8- Construir un cuadrilátero conociendo dos lados opuestos, AD y BC, el ángulo que forman
AD, BC, la razón de los otros dos lados AB , y el ángulo que forman estos últimos, AB, CD.
CD
Solución:
A
B
D
G
F
C
E
Se traza AG, paralelo e igual a BC. Siendo DCG  AB, CD, el vértice C se encuentra en el arco
capaz de este ángulo trazado sobre DG. Sean E y F dos puntos que dividen a DG en la relación
dada AB . La circunferencia de diámetro EF, corta en C al arco capaz anterior. Las paralelas CB a
CD
AG, y AB a GC, determinan el vértice B.
D 9- Construir un cuadrilátero ABCD, conociendo los cuatro lados y la recta MN que une los puntos
medios de las diagonales.
Solución:
A
C
MN
B
O
D
C’
B’
Sea ABCD el cuadrilátero pedido. Se forma el paralelogramo BCC ′ B ′ , trasladando las diagonales
BC y AD. Siendo O el centro del paralelogramo, la recta DO es igual y paralela a MN. El triángulo
DB ′ C se puede construir, pues se conocen los lados DB ′  AB, DC y la mediana DO. También se
puede construir el DBC ′ , del que se conocen los lados BD y DC ′  AC, y la mediana DO. Por
tanto se conocen los vértices D, B y C. Las paralelas BA a B ′ D, y CA a C ′ D, determinan el vértice
A.
103
D 10- Sobre una recta dada XY, se consideran cuatro puntos consecutivos A, B, C y D. Por A y B se
trazan dos paralelas cualesquiera, procediéndose de igual forma con C y D. Demostrar que las
diagonales del paralelogramo formado por las cuatro paralelas, cortan a la recta XY en dos puntos
fijos.
Solución:
M
P
Q
N
X
Y
B SC
A
T
D
Sean las paralelas APM, BNQ, CNP y DQM, y sean las diagonales PQ que corta a XY en T, y MN
que lo hace en S. Los triángulos PAC y QBD son semejantes, al tener sus ángulos iguales, y por la
QB
misma razón lo son también PAT y QBT. Luego
 DB y AT  PA , de donde
BT
PA
CA
QB
AT  CA , AT − BT  AB  CA − DB . Por tanto BT  AB  CA , con lo que se demuestra
BT
DB
BT
AT
CA
CA − DB
que, al ser constante BT, el punto T es fijo. La demostración para S es similar.
D 11- Construir un cuadrilátero ABCD, conociendo las diagonales AC y BD, el ángulo que forman,
AC, BD, la razón de dos lados opuestos, BC , y el ángulo de los otros dos lados, AB, CD.
AD
Solución:
C
B
A
C’
D
A’
El paralelogramo ACC ′ A ′ se puede construir. Sobre CA ′ se traza el arco capaz de 180º − AC, BD.
Se traza el círculo lugar geométrico de los puntos D, cuyas distancias a A y C ′ , están en la relación
BC . La intersección de esta circunferencia con el arco capaz anterior, determina el vértice D. Las
AD
paralelas por C y A, a DC ′ y DA ′ , respectivamente, determinan el vértice B.
D 12- Construir un cuadrilátero inscriptible ABCD, conociendo las diagonales AC y BD, el ángulo que
forman, AC, BD, y el ángulo CAD, que forma la diagonal AC con el lado AD.
Solución:
B’
B
C
O
A
D’
D
104
Por ser inscriptible, CAD  CBD. Se construye el paralelogramo BB ′ DD ′ , pues se conocen sus
lados (las
diagonales del cuadrilátero) y sus ángulos (los que forman las diagonales). Se traza el ángulo
DBC  CAD, y el DD ′ C, también igual al CAD, con lo que se determina el vértice C. Las paralelas
por B y D, a CB ′ y D ′ C, respectivamente, determinan el vértice A.
D 13- Inscribir en un triángulo dado ABC, un rectángulo DEFG de área dada, y que tenga su base
sobre la base del triángulo.
Solución:
A
B
D
J
E
F
H
G
C
JH  BH − FH  HC − HG . De donde FH  BH  1 − JH , HG  HC  1 − JH
y
BH
AH
HC
AH
AH
JH
JH
FG  FH  HG  BC  1 −
. Por tanto, S DEFG  BC  1 −
 JH.
AH
AH
Luego, JH 2 − AH  JH  S DEFG  AH  0. Es decir, se conoce la suma AH de dos segmentos, y su
BC
producto S DEFG  AH . Obtenido JH, se traza una paralela a BC, a una distancia JH.
BC
D 14- Construir un cuadrilátero inscriptible conociendo dos lados opuestos, AB y CD, el producto
AD  BC de los otros dos lados, y el radio R del círculo circunscrito.
Solución:
a
A
B
a
A
B
b
d
c
d
c
C
H’
h
b
D
H
C’
Se traza el círculo de radio R, y se llevan los lados conocidos, AB y, a continuación, CD (BC ′ en la
figura de la derecha). Se trata, en esta figura, de construir el triángulo AHC ′ , en el que H está sobre
el círculo circunscrito y se conoce el producto AH  HC ′  AD  BC. Por tanto se conoce el área de
′
′
dicho triángulo S AHC ′  AH  HC  sin H  AC  h , de donde se obtiene el valor de h. La
2
2
paralela a AC ′ a la distancia h, corta al círculo en H y H ′ . Conocidos los cuatro lados, se colocan en
el orden de la figura de la izquierda.
105
D 15- Construir un cuadrilátero conociendo los lados AB y AD, los ángulos B y D, y sabiendo que los
otros dos lados son iguales.
Solución:
A
H
D’
D
B
C
En un punto cualquiera B, de una recta BC, se trazan los ángulos CBA  B y CBD ′  D. Sobre el
lado BA del primero, se lleva el lado conocido BA, y sobre el BD ′ del segundo, el lado conocido
AD  BD ′ . Se traza la mediatriz HC de AD ′ que corta a BC en C. El simétrico de B respecto de la
mediatriz HC, es el vértice D.
D 16- Inscribir en un paralelogramo, un rombo semejante a uno dado.
Solución:
M
A
B
P
O
H
Q
D
F
N E
C
Supuesto resuelto el problema, sea MNPQ, el rombo inscrito en el paralelogramo ABCD. Su centro
está en el punto O de unión de las diagonales de este. Desde O, se trazan las perpendiculares OE a
DC, y OH a PF (perpendicular desde P sobre DC). En los triángulos semejantes OHP y ONE, se
tiene ON  OE , luego OH  OE  OP , donde el cociente OP se conoce por ser igual al
OP
OH
ON
ON
cociente de las semidiagonales del rombo dado, y OE se conoce por ser la mitad de la altura del
paralelogramo. Para construir el rombo, se obtiene OH  EF, según la fórmula anterior. Se levanta
la perpendicular FP, que corta en P a AD. La prolongación de PO determina Q sobre BC. La
perpendicular en O a PQ, determina M y N sobre AB y DC, respectivamente.
D 17- Construir un cuadrilátero ABCD, conociendo los cuatro lados y la suma de dos ángulos opuestos
B  D.
Solución:
D
A
E
C
B
Se traza el lado BC, y con centro B y radio BA se traza una circunferencia sobre la que está A. Se
lleva el ángulo CBE  B  D, y sobre el lado BE se lleva BE  AB  CD . Los triángulos ABE y
DA
ADC son semejantes, siendo su razón de semejanza AB  BE . Por tanto AE  AB y el
DC
AC
AD
AD
vértice A se encuentra sobre la circunferencia lugar geométrico de los puntos cuyas distancias a E y
C están en la relación conocida AB . La intersección de las dos circunferencias determina el
AD
vértice A. El vértice D queda determinado por la intersección de la circunferencia de centro A y
radio AD, con la de centro C y radio CD.
106
D 18- Se da un paralelogramo ABCD y se traza una secante cualquiera que corta en F a BC, y en H a
CD. Las rectas BH y DF cortan respectivamente a AD y AB en M y N. Demostrar que MN es
paralela a la secante FH.
Solución:
A
D
B
E
F
H
M
N
C
Sea E el punto de intersección de BM y DN. Los triángulos EBF y DEM son semejantes por tener
sus ángulos iguales. Luego EF  BE . También son semejantes los triángulos EDH y EBN, por
ME
ED
lo que EH  DE . Por tanto EH  EN  EF  EM, es decir EH  EF , luego HF y MN son
NE
EM
EN
EB
paralelas.
D 19- Inscribir en un cuadrilátero dado ABCD, un rombo a ′ b ′ c ′ d ′ semejante a uno dado A ′ B ′ C ′ D ′ .
Solución:
d
A’
a
d’
b’
B’
D’
b
c
C’
Se circunscribe al rombo dado A ′ B ′ C ′ D ′ , un cuadrilátero abcd, semejante al ABCD. Para
circunscribir el cuadrilátero abcd, se trazan, por ejemplo, sobre los lados del rombo A ′ D ′ y B ′ C ′ ,
los arcos capaces de los ángulos D y B del cuadrilátero ABCD, que son lugares geométricos de los
vértices b y d. Como el triángulo abd es semejante al ABD, se conocen los ángulos adb y abd, y
por tanto los arcos A ′ d ′ y B ′ b ′ . La recta b ′ d ′ corta a los arcos capaces en los vértices b y d, que
′
unidos con A ′ B ′ C ′ D ′ , dan los vértices a y c. Conocido el abcd, se conocen las relaciones A ′ a ,
d
A
B ′ a , C ′ b y D ′ c , que aplicadas al cuadrilátero ABCD, dan los vértices del rombo a ′ b ′ c ′ d ′ .
B′b C′c
D′d
D 20- Inscribir en un cuadrilátero dado ABCD, un rombo a ′ b ′ c ′ d ′ , cuyos lados sean paralelos a las
diagonales del cuadrilátero.
Solución:
A
a’
O
d’
D
B
b’
C
c’
Supuesto resuelto el problema, se conocen los ángulos a ′ d ′ c ′ y d ′ c ′ b ′ , por ser iguales a BOC y a
AOB. Luego se puede construir un rombo A ′ B ′ C ′ D ′ semejante al pedido y luego circunscribirle un
cuadrilátero abcd semejante al dado, según lo expuesto en el problema D 19, obteniéndose luego el
rombo pedido a ′ b ′ c ′ d ′ .
107
D 21- Se dan dos paralelas m y n, y dos puntos fuera de ellas, A y B. Trazar dos paralelas, una por A y
la otra por B, de forma que los lados del paralelogramo formado por estas paralelas y las rectas m y
n, estén en una relación dada k.
Solución:
A
B
C
D
E
G
F
m
H
n
La recta AB corta a m y n, en C y D. Las paralelas por A y B, cortan a m y n, en F y H, y en E y G.
En los triángulos semejantes BCE y BDG, se tiene EG  BE , luego EG  CD  BE . En los
CD
BC
BC
triángulos semejantes ACF y BCE, se tiene AB  CB , luego EF  AB  CE . Por tanto
EF
CE
CB
EG  CD  EB  k, de donde EB  k  AB . Como AB y CD son constantes, E se encuentra
EF
AB  EC
EC
CD
en la intersección con m, de la circunferencia lugar geométrico de los puntos cuya relación de
distancias a los puntos fijos B y C, es constante e igual a k  AB . La recta BE y su paralela por A,
CD
resuelven el problema.
D 22- Dividir un cuadrilátero cualquiera en cinco partes equivalentes, por rectas que parten de un
punto dado de su perímetro.
Solución:
D
A
P
S
P4
Q
R
M
B
P1
P2
P3
C
P’4
N
Sea ABCD el cuadrilátero y P el punto dado de su perímetro. Trazando por A la paralela AM a PB,
el triángulo PMB es equivalente al ABP, pues tienen la misma base PB y la misma altura que es la
distancia entre las paralelas PB y AM. Procediendo de la misma forma con los triángulos PDC y
PNC, que son equivalentes, resulta que el triángulo PMN es equivalente al cuadrilátero dado
ABCD. La base MN del triángulo se divide en cinco partes iguales por los puntos P 1 , P 2 , P 3 y P ′4 .
El cuadrilátero PABP 1 es igual a la suma de los triángulos PP 1 B y PAB, luego es igual a la suma
de los triángulos PMB y PP 1 B. Los sucesivos triángulos PP 1 P 2 y PP 2 P 3 son equivalentes cada
uno de ellos a 1 del área del cuadrilátero (o del triángulo PMN).Se trata ahora de encontrar un
5
cuadrilátero PP 3 CP 4 equivalente a 1 del área total. Este cuadrilátero tiene común con el triángulo
5
PP 3 P ′4 , el cuadrilátero PP 3 CQ. Hay que encontrar el triángulo PP 4 Q equivalente al QCP ′4 , para lo
CR  QP ′4
. Obtenido así el punto P 4 , se une con P.
cual la altura SP 4 ha de ser igual a
QP
108
D 23- Dado un pentágono y un punto en su interior, trazar por este, rectas que vayan hasta puntos del
perímetro, de forma que el área del pentágono quede dividida en cuatro partes equivalentes.
Solución:
d
3’
c
3’’
C
2’
2’’
3’’’
B
b
D
1’
P
E 1
A
3
2
e
Sea el pentágono ABCDE. Se une P con los cinco vértices. Se traza Ab paralela a PB hasta que
corte a la prolongación de BC. Se traza bc paralela a PC, cd paralela a PD, de paralela a PE. El
triángulo PAe es equivalente al pentágono. En efecto, tienen común el triángulo PAE, y el resto es
equivalente al PEd, pues tienen la misma base PE y los vértices opuestos están sobre de, paralela a
la base. Y así sucesivamente. Se divide la base Ae en cuatro partes iguales: A,1; 1,2; 2,3; 3,e. Basta
hallar en el pentágono partes equivalentes a los triángulos PA1, P12, P23 y P3e. Para ello se trazan
paralelas a PE por 1, 2, 3, e, hasta que corten a Dd; luego paralelas a PD por 2 ′ , 3 ′ , d, hasta que
corten a Cc, y así sucesivamente. Estas paralelas van cortando a los lados del pentágono en 1 ′ , 2 ′′ ,
3 ′′′ . Las rectas P1 ′ , P2 ′′ , P3 ′′′ , PA, dividen el área del pentágono en cuatro partes equivalentes.
D 24- Dado un trapecio y un punto exterior P, trazar por P una secante que divida el área del trapecio
en dos partes equivalentes.
Solución:
P
B
C
M
E
F
D
A
Se traza la paralela media EF y se halla su punto medio M. La recta PM divide al trapecio en dos
partes equivalentes.
D 25- Inscribir en un triángulo dado, un rectángulo con un lado en la base del triángulo, y que sea de
área máxima.
Solución:
A
J
D
B
F
H
E
G
C
En el problema D 13, se ha obtenido S DEFG  BC  AH − JH  JH, que será máxima cuando
AH
AH − JH  JH, es decir cuando JH  AH .
2
109
D 26- Se dan tres puntos A, B y C, y una recta variable que pasa por C, sobre la que se proyectan A y B
en A ′ y B ′ . Hallar la posición de dicha recta para que el área del trapecio AA ′ B ′ B sea máxima.
Solución:
B’’
T
t
C
A’
A’’
D’
B’
D H
B
O
A
El área del trapecio es igual al producto de uno de los lados no paralelos por la altura trazada sobre
él desde el punto medio del lado opuesto. Sea D ′ el punto medio de A ′ B ′ , y D ′ H la altura sobre AB.
Siendo AB fijo, el máximo del área coincide con el máximo de D ′ H. Como D ′ describe la
circunferencia de diámetro CD, el máximo de D ′ H corresponde al punto de tangencia T con la
tangente t paralela a AB. El trapecio de área máxima es AA ′′ B ′′ B, siendo A ′′ y B ′′ las proyecciones
de A y B, sobre CT.
D 27- Construir un cuadrilátero ABCD, conociendo las diagonales AC y BD, la recta que une los
puntos medios de dos lados opuestos, la razón de los otros dos lados y el ángulo A.
Solución:
O’
C
B
E
N
M
O
A
D
Sean M y N, los puntos medios de AB y CD. Trasladando la diagonal AC a la posición DE, BE es
paralela a MN e igual a su doble. Por tanto, el triángulo BDE se puede construir, pues se conocen
sus tres lados. Se traza el arco capaz de A sobre BD (circunferencia O). Como AC está determinada
en magnitud y dirección (paralela a DE), C describe la circunferencia O ′ , igual a la O, y trasladada
paralelamente a DE una longitud OO ′  DE  AC. Como CB está dado, y B y D son fijos, A
AD
describe la circunferencia homotética de O ′ , con B de centro de homotecia y razón la dada, que
corta en A al arco capaz O. El vértice C es el trasladado de A en la magnitud y dirección de DE.
110
D 28- Dividir un trapecio por dos rectas paralelas a las bases, en partes proporcionales a los números
2, 5 y 8.
Solución:
M’
E
M
B
A
O
P’
P
F
Q’
G
Q
C
D
Sea el trapecio ABCD. Se prolongan AC y BD hasta su intersección E. Se traza el semicírculo de
diámetro EC. El arco de centro E y radio EA, corta a la semicircunferencia en M ′ , de donde se baja
la perpendicular a EC que la corta en M. Se divide MC en partes proporcionales a los números
dados: MP, PQ y QC. Se levantan las perpendiculares PP ′ y QQ ′ . Los arcos de radios EP ′ y EQ ′
cortan a EC en F y G. Las paralelas por F y G, a la base del trapecio, resuelven el problema, ya que
las áreas de los triángulos formados son proporcionales, por ser semejantes, a los cuadrados de los
lados homólogos, que son EM ′ , EP ′ , EQ ′ y EC, y estas longitudes son proporcionales a los
números dados.
D 29- Inscribir en un sector circular dado, un rectángulo de área máxima, con dos vértices en el arco.
Solución:
B
D
C
A
E
F
O
Sea AOB la mitad del sector y CDEF la mitad del rectángulo. Sea   AOB y   DOB. El área
sin 
R sin 
, CE  R cos  −
, se
del rectángulo es 2  CD  CE. Como CD  R sin , EO 
tan 
tan 
2
sin 
 2R sin   sin − . Este producto es máximo
tiene que S  2R sin   R cos  −
tan 
sin 
cuando lo sea sin   sin − , para  dado. Como este producto es igual a
− 1 cos  − cos2 − , será máximo cuando lo sea cos2 − , es decir cuando    .
2
2
111
D 30- Construir un cuadrilátero circunscriptible, conociendo los lados AB y AD, y los ángulos B y D.
Solución:
B
M
C
C’
M’
A
D
B’
Doblando el cuadrilátero por la bisectriz de A, AB se sitúa en AB ′ , el ángulo B en AB ′ C ′ , y el
círculo inscrito será tangente además de a los cuatro lados, a B ′ C ′ , cuyo punto de tangencia es M ′ ,
simétrico del M. Para construir el cuadrilátero, se trazan AD y AB ′ y los ángulos D  ADC, y
B  AB ′ C ′ . La circunferencia tangente a las tres rectas AD, DC y B ′ C ′ , es la inscrita. Las tangentes
a ella por A y C resuelven el problema.
D 31- Se dan dos paralelas m y n, y dos puntos O 1 y O 2 fuera de ellas. Trazar por estos dos puntos,
dos paralelas que formen con las anteriores un rombo.
Solución:
O2
O1
A’
m
A
B
B’
n
C’
D
C
D’
Se traza con centro O 2 una circunferencia de radio la distancia entre las dos paralelas m y n. Se
trazan por O 1 las tangentes O 1 C y O 1 C ′ , y por O 2 se trazan las paralelas a las tangentes, O 2 D y
O 2 D ′ . Los rombos son A ′ C ′ D ′ B ′ y ACDB, pues la distancia entre los lados opuestos es igual a la
distancia entre m y n..
D 32- Trazar un rombo de área dada, de forma que tres de sus vértices estén sobre tres rectas paralelas,
y el cuarto vértice sobre una recta que corta a las anteriores.
Solución:
A’
A
a
B’
b
m
B
O’
C’
c
112
D’
C
d
D
Sean a, b y c las tres paralelas dadas y d la secante. Sea m la paralela media de las dos paralelas
extremas;
el centro O del rombo estará sobre ella. El triángulo A ′ O ′ B ′ se puede construir, pues se conoce su
área, es rectángulo y sus vértices están sobre las paralelas a, b y m (con centro O ′ se gira 90º una
de las paralelas, y se halla su homotética). Completado el rombo, se traslada paralelamente hasta
que el vértice D esté sobre la recta d.
D 33- Generalizar el problema de Pothenot para el caso de que se quieran determinar simultáneamente
dos puntos, conocidas las posiciones de otros tres.
Solución:
M1
M2
C
A
B
Se dan los puntos A, B y C, y se pide determinar los puntos M 1 y M 2 , conocidos los ángulos
 1  AM 1 B,  1  BM 1 C,  2  AM 2 B y  2  BM 2 C, y las distancias AB  m y BC  n.
Sean los ángulos x 1  M 1 AB, y 1  M 1 CB, x 2  M 2 AB, y 2  M 2 CB, y sea V  ABC.
n sin y 1
Operando con las relaciones de los triángulos formados, se tiene: BM 1  m sin x 1 
,
sin  1
sin  1
x1 − y1
sin x 1  n sin  1  tan  , sin x 1 − sin y 1  tan − 45º  tan
2
1
x  y1 ,
sin y 1
sin x 1  sin y 1
m sin  1
tan 1
2
V  1  1
x1  y1
 −
 1,
x 1  y 1  V   1   1  2,
2
2
x1 − y1
x1 − y1

′
tan
 tan  1 tan  1 −
,
  1 , x 1   1   ′1 , y 1   1 −  ′1 ,
2
2
4
n siny 1   1 
m sin 1  x 1 
M1A 
, M 1 B  m sin x 1 , M 1 C 
.
sin  1
sin  1
sin  1
Análogamente se obtienen las fórmulas referentes a M 2 .
Nota: Este problema corresponde al ámbito de la trigonometría.
D 34- Rellenar un plano (supuesto ilimitado) con polígonos regulares iguales entre sí e igualmente
orientados.
Solución: En el problema D 1, se dedujo que se podía rellenar un plano en las condiciones de su
enunciado, con triángulos equiláteros, cuadrados y exágonos regulares. En este problema, se añade
la condición de estar igualmente orientados, lo que el triángulo equilátero no cumple, siendo el
cuadrado y el exágono la solución.
113
D 35- En un cuadrilátero dado, inscribir un paralelogramo cuyos lados tengan direcciones dadas.
Solución:
d
A’
a
B’
d’
b’
b
D’
c
C’
Se procede como lo indicado en el problema D 19. Se circunscribe a un paralelogramo A ′ B ′ C ′ D ′ ,
que satisfaga el enunciado, un cuadrilátero abcd, semejante al ABCD dado.. Para circunscribir el
cuadrilátero abcd, se trazan, por ejemplo, sobre los lados del paralelogramo A ′ D ′ y B ′ C ′ , los arcos
capaces de los ángulos D y B del cuadrilátero ABCD, que son lugares geométricos de los vértices b
y d. Como el triángulo abd es semejante al ABD, se conocen los ángulos adb y abd, y por tanto los
arcos A ′ d ′ y B ′ b ′ . La recta b ′ d ′ corta a los arcos capaces en los vértices b y d, que unidos con
′
′
′
A ′ B ′ C ′ D ′ , dan los vértices a y c. Conocido el abcd, se conocen las relaciones A ′ a , B ′ a , C ′b y
C
d
b
c
A
B
D ′ c , que aplicadas al cuadrilátero ABCD, dan los vértices del paralelogramo a ′ b ′ c ′ d ′ .
D′d
También se puede resolver proyectivamente:
C
D P2 N2 M2
M3
N3
P3
P1
N1
M1
A
M N P
B
M’ N’P’
Se toma un punto cualquiera P sobre AB y se trazan las sucesivas paralelas a las direcciones dadas:
PP 1 , P 1 P 2 , P 2 P 3 y P 3 P ′ . De esta forma, se establecen sobre AB, dos series: P, M, N... y P ′ , M ′ ,
N ′ ... Los puntos dobles solucionan el problema.
D 36- Construir un cuadrilátero inscriptible ABCD, conociendo la diagonal AC, el lado AD, el ángulo
A y el ángulo ACB.
Solución:
A
B
D
C
114
ACB  ADB. Luego se conoce el ángulo ACD  ABD   − A − ADB, por lo que se puede
construir el triángulo ADC. Se traza su círculo circunscrito y el ángulo ADB, con lo que queda
determinado el vértice B.
D 37- Construir un cuadrilátero conociendo la posición de los vértices A y B, la diferencia de los
ángulos A − B, dos rectas r 1 y r 2 sobre las que se encuentran los vértices C y D, y la relación
AC  m.
DB
Solución:
r2
r3
r4
D1
r5
D
D2
C
r1
r2
B
A
Se dobla la figura alrededor de la mediatriz de AB, con lo que BD se sitúa en AD 1 , r 1 en r 3 ,
CAD 1  B − A, AC  m. Al girar r 3 alrededor de A, un ángulo igual a A − B, se posiciona en r 4 ,
AD 1
AC
 m. Multiplicando r 4 por m, con centro A, se obtiene r 5 que corta a r 2 en C.
D 1 en D 2 , y
AD 2
Para obtener D, se lleva ABD  CAB  B − A , y BD  AC
m .
D 38- Inscribir en un paralelogramo dado ABCD, un rombo MNPQ de área dada k 2 .
Solución:
M’
B
N
C
P
O
M
A
r
r’
Q
D
El centro del rombo ha de coincidir con el centro O del paralelogramo. El problema se reduce a
inscribir el triángulo rectángulo OMN, estando M sobre AB, N sobre BC y conociendo el producto
2
OM  ON  k . Girando AB, 90º alrededor de O, toma la posición r, pasando M a M ′ .
2
k 2 , se obtiene r ′ , y por tanto N en su intersección con
Multiplicando r desde O por la razón
2  OM
BC. Uniendo N con O se determina Q, y su perpendicular por O determina M y P.
115
D 39- Cortando un cuadrilátero cualquiera por una secante arbitraria r, los puntos de intersección con
los lados opuestos y con las diagonales están en involución. Aplíquese este principio para hallar
solamente con la regla, el punto homólogo de X5, en la involución definida por A3, A ′ 4,
B6, B ′ 7.
Solución:
P
Q
X’
N
A
M
A’
X
B’
B
Sobre una recta se marcan las abscisas de A, A ′ , B, B ′ y X. Se trazan por A y B secantes
cualesquiera que se cortan en M. y se une X con M. Se traza una secante A ′ N que corta a XM en P.
Se une P con B ′ , que corta en Q a AM. La recta NQ corta a AB en el punto X ′ , homólogo de X. En
el caso de los datos del enunciado, la recta NQ es paralela a AB, siendo X ′ el punto impropio de la
dirección AB.
D 40- Construir un cuadrilátero ABCD, conociendo las diagonales AC y BD, y los cuatro ángulos.
Solución:
B
T
N
Q
O
O’
A
C
M
S
D
P
Supuesto resuelto el problema, sea O el arco capaz de A sobre la diagonal BD, que corta a BC y
CD en T y S, respectivamente. La tangente PQ en A, forma con AT y AS, los ángulos PAT  B y
QAS  D. Para construir el cuadrilátero, sobre una recta MN igual a una de las diagonales, por
ejemplo la BD, se describe el arco capaz O de uno de los ángulos opuestos a ella, en este caso el A.
Sobre el arco capaz se toma un punto cualquiera A y se traza la tangente PQ en dicho punto, y se
forman los ángulos PAN y QAS, iguales a los que corresponden a los vértices B y D de la diagonal
citada. Sobre ST se traza el arco capaz O ′ del ángulo C, que es cortado en C por la circunferencia
de centro A y radio la diagonal AC. Las rectas CS y CT determinan sobre O, los vértices B y D.
116
D 41- Se da un pentágono ABCDE y un punto cualquiera P sobre su perímetro. Trazar rectas por P,
que dividan el pentágono en cuatro partes equivalentes.
Solución:
d
3
c
2
3’
C
3’’
2’
1
1’
B
b
D
A
P
E
Se siguen procedimientos similares a los descritos en los problemas D 22,y D 23. Se une P con los
vértices. Se traza por A la paralela Ab a PB, estando b sobre la prolongación de BC. De la misma
forma se definen los puntos c y d. El triángulo PdE es equivalente al pentágono dado. Se divide Ed
en cuatro partes iguales, por los puntos 1, 2 y 3. Como se indica en la figura, se van determinando
los puntos 1 ′ , 2 ′ y 3 ′′ . Las rectas P1 ′ , P2 ′ y P3 ′′ solucionan el problema.
D 42- Se da un pentágono regular ABCDE, y un punto P del arco AE. Probar que
PA  PC  PE  PB  PD.
Solución:
C
D
B
A
E
P
En el cuadrilátero inscriptible EPAC, siendo l el lado del pentágono y d su diagonal, se tiene:
PC  AE  PE  AC  PA  EC, es decir l  PC  d  PE  PA. En el cuadrilátero inscriptible
EPCB, se tiene: l  PE  dPC − PB. En el cuadrilátero inscriptible EPCD, se tiene:
d  PD  lPE  PC. Sumando las tres igualdades, se tiene: PA − PB  PC − PD  PE  0.
117
D 43- En el cuadrilátero inscriptible ABCD, se trazan cuatro círculos arbitrarios que pasan por AB, BC,
CD y DA, respectivamente. Estos cuatro círculos se vuelven a cortar en M, N, P y Q. Demostrar
que el cuadrilátero MNPQ es inscriptible.
Solución:
A
B
N
M
P
Q
D
C
Q  MQP  360º − MQD − DQP  180º − MQD  180º − DQP  MAD  DCP.
De forma similar, N  MNP  PCB  MAB.
De donde Q  N  DAM  MAB  DCP  PCB  DAB  DCB  180º.
Por tanto, el cuadrilátero MNPQ es inscriptible.
D 44- De todos los polígonos de n lados que se pueden construir con n segmentos dados, indicar cuál
es el de área máxima.
Solución: Entre todas las figuras isoperimétricas, el círculo es la de mayor área. Un polígono de n
lados es de área máxima, cuando es inscriptible en un círculo. Siempre es posible construir con n
segmentos dados, de los cuales el mayor es menor que la suma de los n − 1 restantes, un polígono
inscriptible.
D 45- Dividir un trapecio en tres partes, de modo que sus áreas sean proporcionales a 1, 3 y 5. Las
bases del trapecio miden 8 y 12, y su altura 7.
Solución:
E
M’
M
H
A
B
O
P’
P
F
Q’
G
C
Q
J
D
Se utiliza el mismo razonamiento y la misma figura que el problema D 28. Se completa el
triángulo del que forma parte el trapecio, AB  8, CD  12, HJ  7. EH  8 , EH  14.
EH  7
12
S EAB  8  14  56. S ABCD  8  12  7  70. Si a 70 le corresponden 9 partes (1  3  5), a 56
2
2
le corresponden 9  56  7, 2. Por tanto las áreas son proporcionales a 7, 2, 1, 3 y 5, cuyo total es
70
16, 2. Se divide EC proporcionalmente a esas cantidades y se sigue como lo expuesto en D 28.
Nota: En la figura incluida en este problema, la división de EC por los puntos M, P y Q,
corresponde a las cantidades del enunciado de D 28.
118
D 46- Demostrar que si se prolongan los lados opuestos de un cuadrilátero inscriptible y se trazan las
bisectrices de los ángulos así formados, el punto de intersección de estas bisectrices y los puntos
medios de las diagonales, están en línea recta.
Solución:
F
A
D
M
L
N
B
C
E
Sea ABCD el cuadrilátero inscriptible, M y N los puntos medios de las diagonales, y EL y FL las
bisectrices de los ángulos DCEBA y DAFBC. Los triángulos EAC y EBD son semejantes, pues
tienen el ángulo BEC común y CAB  CDB. La recta EN es mediana del primero, y EM del
segundo, luego los triángulos EAN y EDM son semejantes, por lo que NEA  DEM, y la bisectriz
EL de DEA lo es también de MEN. Por tanto LM  EM  DM  DB . Análogamente, los
LN
EN
AN
AC
triángulos AFM y FNC son semejantes y la bisectriz de DFC, lo es de MFL, y corta a MN en L ′ .
′
′
Luego L ′M  MF  DM  DB . Por tanto, LM  L ′M , de donde L y L ′ coinciden.
NF
LN
NC
AC
LN
LN
D 47- Hallar la longitud de una paralela a las bases de un trapecio, que divide a los otros dos lados en
la proporción m
n.
Solución:
C
B
F
H
A
E
G
D
Sea el trapecio ABCD y la paralela HG  HF  FG, siendo CFE paralela a BA, y sean las bases
m
del trapecio B  AD y b  BC. Se tiene: FC  GC  m
n , FG  m  n  ED. Por tanto
FE
GD
mB  nb
HG  b  m m
 n B − b  m  n .
119
D 48- Construir un trapecio conociendo los cuatro ángulos y las cuatro diagonales.
Solución:
F
C
D
E
B
A
Sea ABCD el trapecio, E el punto de cruce de las diagonales, y F el de unión de las prolongaciones
de AC y BD. Los triángulos CDE y AEB son semejantes, luego AE  AD , es decir que E
BE
BC
pertenece a la circunferencia lugar geométrico de los puntos cuya relación de distancias a A y B es
conocida. Por otro lado, E está en la mediana del ABF. Para construir el trapecio, se trazan sobre
un segmento cualquiera A ′ B ′ , los ángulos F ′ A ′ B ′  A y F ′ B ′ A ′  B, cuyos lados A ′ F ′ y B ′ F ′ se
cortan en F ′ . Se traza la circunferencia lugar geométrico de los puntos cuya relación de distancias a
A ′ y B ′ es la dada, y la mediana F ′ M ′ , siendo M ′ el punto medio de A ′ B ′ . La intersección de ambos
lugares determina E ′ . Las rectas A ′ E ′ y B ′ E ′ determinan C ′ y D ′ . Construido el trapecio A ′ B ′ C ′ D ′ ,
se construye el ABCD, semejante a él, siendo la relación de semejanza AD
.
A′D′
D 49- Se da un paralelogramo ABCD, cuyas diagonales AD y BC se cortan en O. Por el centro de
gravedad del triángulo ABC, se traza una secante cualquiera que corta a BC, CA y AB, en a, b y c,
respectivamente. Se determinan los puntos b ′ y c ′ , donde la recta aD corta a AC y AB. Demostrar
que el punto de intersección de bc ′ y cb ′ , está sobre BC, y que bc ′ y cb ′ pasan por un punto fijo.
Solución:
b
R
c
A
c’
B
G
b’
O
a
S
C
P
D
M
Se forma el cuadrilátero completo bc ′ b ′ cMa. Si b ′ c corta a BC en M ′ , y bc ′ en M ′′ , se tiene que
M ′ aCB  M ′′ aCB  −1, luego M ′  M ′′  M, que está sobre BC. Proyectando desde b ′ y
cortando por BD, se tiene: MaCB  −1  b ′ , MaCB  RDB. Luego R es el simétrico de
D respecto a B, por lo que b ′ c pasa por el punto fijo R. Igualmente, proyectando desde c ′ y
cortando por CD, se tiene: c ′ , MaCB  −1  SDC. Luego S es el simétrico de D respecto a
C, por lo que cb ′ pasa por el punto fijo S.
120
D 50- Por un vértice de un paralelogramo, trazar una secante exterior limitada por los dos lados
opuestos, de forma que el triángulo formado sea de área mínima.
Solución:
M
H
B
J
A
C
D
K
N
Sea el paralelogramo ABCD y MN la secante que pasa por C. La superficie
S AMN  S ABCD  S CMB  S CDN , será mínima cuando lo sea la suma de los dos últimos sumandos
S CMB  S CDN   1 BC  BM  DC  DN sin CDN, que será mínima cuando lo sea
2
BC  BM  DC  DN, pues CDN es constante. Como MB  BC , la expresión será mínima
DN
CD
2
2
cuando lo sea BC  DN , es decir cuando DN  BC, con lo que C es el punto medio de MN.
DN
D 51- Se da un cuadrilátero ABCD. Sobre el lado AB se toma un punto M, y sobre el lado CD un punto
N, de forma que AM  CN . Se unen M y N con los vértices del cuadrilátero, formándose seis
AB
CD
triángulos y un cuadrilátero. Demostrar que el área de este es igual a la suma de las áreas de los dos
triángulos adyacentes a los lados AD y BC.
Solución:
B
M
A
hN
hC
P
Q
hD
D
N
C
Se tiene: AM  CN  k, luego S BMC  1 − kS ABC , S AMD  kS ABD . Por otra parte, como
AB
CD
CN  h C − h N  k, h N  kh D  1 − kh C . Multiplicando por AB , se tiene:
2
CD
hC − hD
S ABN  kS ABD  1 − kS ABC  S AMD  S BMC .
Como S ABN  S MNPQ  S AMP  S MBQ , S AMD  S APD  S APM , S BMC  S BCQ  S MBQ, se tiene:
S MNPQ  S APD  S BCQ .
121
D 52- Si en un exágono regular se trazan las diagonales que no pasan por el centro, se obtiene una
estrella de seis puntas, constituida por la superposición de dos triángulos equiláteros. El contorno
de la estrella es un polígono formado por doce lados iguales que enlazan alternativamente vértices
entrantes y salientes. Empezando por uno saliente, A, se designan la serie de vértices sucesivos por
A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, hasta cerrar el contorno en A. A la figura de la estrella se le aplica
una homología de eje AC, obteniéndose la figura de contorno A ′ B ′ C ′ D ′ E ′ F ′ G ′ H ′ I ′ J ′ K ′ L ′ (A y A ′
coinciden, así como C y C ′ ). Siendo A ′ B ′  B ′ C ′  5 cm, C ′ D ′  4 cm, y D ′ E ′  2 cm, hallar las
longitudes de los restantes lados de la figura A ′ B ′ C ′ D ′ E ′ F ′ G ′ H ′ I ′ J ′ K ′ L ′ .
Solución:
M
K
L
J
I
K’
A-A’
L’
H
B
J’
O
H’
B’
F’
F
I’
Q
G’
D’
D
G
C-C’
E’
E
′ ′
′ ′
Se tiene que ADBE  AB  DB  1  −1  −1  A ′ D ′ B ′ E ′   A ′ B ′  D ′ B ′ 
DE
AE
3
1
3
AE
DE
52
, luego B ′ D ′  3. Los lados del triángulo B ′ CD ′ miden B ′ D ′  3, CD ′  4,

′ ′
′ ′
−7  B D   B D
B ′ C  5, por lo que es rectángulo, con B ′ D ′ C  90º, siéndolo también el triángulo A ′ D ′ C,
verificándose que AC  A ′ C ′  A ′ D ′2  CD ′2  4 5 . De aquí se deducen las medidas de la
figura A. . . L, pues siendo el lado del exágono regular AC  4 5 , que es igual al radio del círculo
8 15
,
circunscrito, se tiene que el lado de los triángulos equiláteros es 4 15 , que BH 
3
10 15
, MC  12 5 , MO  10 5 , MA  8 5 . En el triángulo rectángulo A ′ OB ′ ,
OH 
3
2
4 5
 5 . Los triángulos rectángulos ACD ′ y OCQ ′ son semejantes, pues
OB ′  5 2 −
2
AC  A ′ D ′  CD ′ . Siendo
tienen en común el ángulo C, por lo que
OC
OQ ′
CQ ′
′
4 5 2 5

 10, OQ ′  AD  OC

CQ ′  AQ ′  AC  OC
4
CD ′
CD ′
82 5

 4 5 , B ′ Q ′  4 5 − OB ′  3 5 . De OBH  OB ′ H ′ Q ′ , se tiene:
4
5  B′H′ 3 5
3 5
OH  10 15  3  5  OH ′  B ′ H ′ 
, de donde B ′ H ′ 
,
′
′ ′
′
′
BH
4
2
OQ
BQ
4 5 BH
3  8 15
5 5
3 5
OH ′ 
, H′Q′ 
. En el triángulo AOQ ′ cortado por la transversal MJ ′ H ′ , se tiene:
2
2
5 5
8 5 
 Q′J′
′ ′
MA  OH ′  Q J  1 
2
, de donde Q ′ J ′  30 ,
7
MO H ′ Q ′
J′A
3 5
10 5 
10 − Q ′ J ′ 
2
2
2 85
30
12
′ ′
′ ′
2

, K J  2  12

, G ′ Q ′  10 − 4 − 12 − 20  10 .
L J  10 − 4 −
7
7
7
7
7
21
3
122
En el triángulo OCQ ′ cortado por la transversal MHG ′ , se tiene:
3 5
10 5  CG ′ 
′ ′
′
Q
H
MO  CG 
2
1
, de donde CG ′  20 ,
3
MC G ′ Q ′
H′O
5
5
12 5  10 − CG ′  
2
F ′ G ′  20 − 4 − 12  20 . En el triángulo MCG ′ cortado por la transversal OH ′ Q ′ , se tiene:
7
3
21
2
′ ′
′
2
5 5
5 85
MH  G Q  OC  1. Como MH ′  MO 2  OH ′2 
10
5


,
2
2
OM
H′G′
Q′C
5 85
 10  2 5
85
3
2
se tiene:
 1, de donde H ′ G ′ 
. Resumiendo, las longitudes de los
′ ′
6
H G  10  10 5
lados del polígono A ′ . . . L ′ , son: A ′ B ′  C ′ B ′  5 cm, A ′ L ′  C ′ D ′  4 cm, L ′ K ′  D ′ E ′  2 cm,
2 85
 2, 63 cm,
J ′ I ′  F ′ G ′  20  0, 95 cm,
K′J′  E′F′ 
7
21
85
I′H′  H′G′ 
 1, 54 cm.
6
D 53- Construir un cuadrilátero ABCD, conociendo los cuatro lados, y sabiendo que los ángulos B y C
son iguales.
Solución:
B
C’
C
A M
D
N
S
Suponiendo resuelto el problema, se trazan las circunferencias de centro A y D, y radios AB y DC.
La circunferencia de centro D corta a BC (o a su prolongación) en C ′ . La recta BC corta en S a AD.
Se tiene: DCC ′  DC ′ C. Luego BC ′ D  DCS. Como ABC  BCD  DC ′ S, las rectas AB y DC ′
son paralelas. Por tanto, BCC ′ pasa por el centro de semejanza S de las circunferencias, siendo C y
B antihomólogos, por lo que SC  SB  SN  SM. Como SB − SC  BC, se conocen la diferencia y
el producto de SB y SC, luego se conocen las posiciones de B y C, y el cuadrilátero se puede
construir.
D 54- Se da un paralelogramo ABCD, un punto E sobre AB, y un punto F sobre CD. Sea G el punto de
intersección de AF y DE, y H el de BF y CE. Demostrar que GH divide al paralelogramo en dos
partes equivalentes.
Solución:
M A
P
G
H
D
B
E
F
Q
C N
En el triángulo DEC cortado por la transversal GH, se tiene: GD  HE  NC  1. En el
GE HC ND
GF
MA
triángulo AFB cortado por la transversal GH, se tiene:

 HB  1. Dividiendo las dos
GA MB HF
igualdades, y como GD  GF y HF  HE , se tiene: CN  MA , es decir
HB
DN
MB
GE
GA
HC
CN
MA
MA


. Luego, CN  DC  CN  MA  DC  MA  CN  MA. De
DC  CN
AB  MA
DC  MA
donde CN  MA, por lo que los triángulos semejantes MAP y CQN son iguales, es decir,
QC  AP, DP  BQ. Los trapecios DPQC y APQB tienen las mismas bases y la misma altura,
luego son equivalentes.
123
D 55- Construir un cuadrilátero conociendo las diagonales, el ángulo que forman y dos ángulos
opuestos.
Solución:
B
A
C
D
M
N
Haciendo una traslación paralela a la diagonal AC, se obtiene el paralelogramo BMND, en el que
los lados son las diagonales, y los ángulos, los de estas. Por tanto, este paralelogramo se puede
construir. Por conocerse los ángulos BCD y BAD  MCN, se trazan los correspondientes arcos
capaces sobre BD y MN, que se cruzan en C. Deshaciendo la traslación, se obtiene el ABCD.
D 56- Las diagonales de un cuadrilátero lo dividen en cuatro triángulos. Demostrar que si los radios de
las circunferencias inscritas en estos cuatro triángulos, son iguales, el cuadrilátero es un rombo.
Solución:
A
B
O
B’
A’
C
D
Siendo O el punto de intersección de las diagonales, se supone que AO  OC y que BO  OD.
Sea el triángulo OA ′ B ′ , simétrico del OAB respecto a O. En el dibujo, el radio de la circunferencia
inscrita en el triángulo OA ′ B ′ es menor que el de la inscrita en el triángulo ODC. Como han de ser
iguales, el punto O ha de ser el punto medio de las dos diagonales, luego ABCD has de ser un
paralelogramo. Como el área S de un triángulo, es S  pr, al ser iguales las áreas y los radios de las
circunferencias inscritas, los perímetros son también iguales. Luego: AB  BC, AD  DC. Es
decir, el paralelogramo es un rombo.
D 57- Se tienen cuatro varillas de longitudes AB  32 mm, BC  33 mm, CD  48 mm y
DA  60 mm, que forman un cuadrilátero ABCD articulado. Por medio de otra varilla se unen los
puntos medios M de AB y N de CD, de tal modo que se da al conjunto una posición fija. Construir
el cuadrilátero, siendo MN  45 mm.
Solución:
E
C
F
H
B
M
N
A
D
Se trata del problema D 6, en el que los datos están cuantificados.
124
D 58- Inscribir en una semicircunferencia, un rectángulo de área dada.
Solución:
D
C
M A
B N
O
Siendo OA  a , AD  b, y OD  R, se tiene AD 2  AM  AN, es decir, b 2  R  aR − a.
R2  R2 − S2
Como a  S , sustituyendo se tiene 4b 4 − 4R 2 b 2  S 2  0. Luego b 2 
.
2
2b
D 59- Demostrar que si se prolongan los lados opuestos de un cuadrilátero inscriptible y se trazan las
bisectrices de los dos ángulos así formados, estas bisectrices cortan a los lados del cuadrilátero en
cuatro puntos que son los vértices de un rombo.
Solución:
D
Q
A
M
P
N
E
B
C
F
Sea el rombo MNPQ, inscrito en el cuadrilátero ABCD y formado como se indica en el enunciado.
Sus diagonales son QN y MP. Por tanto MQN  PQN  MNQ  QNP, y
QMP  PMN  QPM  MPN. De donde AQN  NQD, y BNQ  CNQ. Luego QN es la bisectriz
de AFD, y MP la de DEC.
D 60- Se da un paralelogramo ABCD. Por los vértices A y B pasa una circunferencia de radio R. Otra
circunferencia, también de radio R, pasa por los vértices B y C. Las dos circunferencias se cortan
en el punto M. Demostrar que las circunferencias que pasan por A, M, D y por C, M, D, son iguales
a las anteriores.
Solución:
B
A
M’
D
C
M
Se define el punto M ′ de forma que el cuadrilátero BCMM ′ sea un paralelogramo, por lo que M ′
está en la circunferencia ABM. El cuadrilátero ADMM ′ también es un paralelogramo, por lo que
AM ′  DM, y los triángulos CDM y ABM ′ son iguales. Por tanto el radio de la circunferencia que
pasa por C, D, M es igual a R. Análogamente, se obtiene que el radio de la circunferencia que pasa
por A, M, D, es igual a R.
125
D 61- Demostrar que el área de un cuadrilátero es igual a cuatro veces la del triángulo que tiene por
vértices los puntos medios de las diagonales y el punto de intersección de dos lados opuestos.
Solución:
G
A
M I
N
E
F
B
C
D
Sea el cuadrilátero ABCD, y sean E y F los puntos medios de las diagonales. El cuadrilátero ABEF
es equivalente a la cuarta parte del ABCD, ya que el ABFD es equivalente a la mitad, y el AEFD es
equivalente al ABFE. Hay que demostrar que, siendo G el punto de intersección de AD y BC,
S EFG  S EFBA , es decir S AEM  S NFB  S MNG . Trazando por E y F paralelas a DG y GC
respectivamente, se cortan en I sobre AB. Por tanto S GBF  S GBI , S AGE  S AGI , S NBF  S GNI ,
S AEM  S MGI . Luego S AEM  S NFB  S MNG .
D 62- Demostrar que el perímetro de un cuadrilátero convexo está comprendido entre la suma de las
diagonales y el doble de esta suma.
Solución:
B’
A
D’
B
O
C
D
Sea el cuadrilátero ABCD, y sea BDB ′ D ′ el paralelogramo que se forma trasladando las diagonales
paralelamente a sí mismas. Se tiene AB  AB ′  AC, AB ′  AD ′  BD, AD ′  AD  AC,
AD  AB  BD. Sumando las cuatro desigualdades, se tiene:
2AB  BC  CD  DA  2AC  BD, es decir AB  BC  CD  DA  AC  BD.
Además, OA  OB  AB, OB  OC  BC, OC  OD  CD, OD  OA  AD.
Sumando estas cuatro últimas desigualdades, se tiene: 2AC  BD  AB  BC  CD  DA.
D 63- Dadas dos rectas paralelas m y n, un punto A sobre una de ellas y otro B fuera, trazar dos rectas
paralelas por A y B que determinen con las dadas un paralelogramo del que se conoce la razón de
dos lados contiguos.
Solución:
B
A
m
n
E
G
D
F
C
C’
Sean AG y BF las paralelas trazadas por A y B, y sea AC la distancia entre m y n. Se multiplica AC
por la razón dada, obteniéndose AC ′ . Se traza la circunferencia de centro A y radio AC ′ , y se traza
por B la tangente BD a dicha circunferencia, que corta en E y F a m y n. Se traza la paralela AG a
BD. El paralelogramo pedido es el AEFG, pues en los triángulos semejantes AGC y ADE, se tiene
AE  AD  AC ′ .
AG
AC
AC
126
D 64- Inscribir en un triángulo dado ABC, un rectángulo de perímetro 2p conocido, con un lado en la
base del triángulo.
Solución:
A
M
D
B
E
H
F
G
C
BF  DF  EG  GC y p  FG  DF  BC − BF − GC  DF, sustituyendo y
BH
AH
AH
HC
AHBC − p
. La paralela DE trazada a la distancia DF de la base,
operando se tiene DF 
BC − AH
resuelve el problema.
D 65- Calcular las diagonales de un trapecio conociendo los cuatro lados.
Solución:
Siendo
b
d
a
h
d’
c
a
h
c
B-b
B
2 pp − B  bp − ap − c
En el triángulo de la figura de la derecha, se tiene: h 
, siendo
B−b
p  B−bac.
En
la
figura
de
la
izquierda:
d 2 − h 2  c 2 − h 2  B,
2
2
2
 h 2 . Por tanto, d 
B − c2 − h2
 h 2  B 2  c 2 − 2B c 2 − h 2 ,
d2  B − c2 − h2
d ′  B ′2  a 2 − 2B a 2 − h 2 .
D 66- Construir un trapecio ABCD, inscrito en un círculo dado de radio R, conociendo la altura y la
suma de las bases.
Solución:
M’
M
N’
H’
H
N
O
Sea el trapecio MNM ′ N ′ , y sean H y H ′ los puntos medios de sus bases. Se tiene 2B  MN,
B  MH, 2b  M ′ N ′ , b  M ′ H ′ , h  HH ′ , S  B  b, P  B  b, d  OH, d ′  OH ′ , h  d − d ′ ,
d  R2 − B2 ,
d′  R2 − b2 ,
h  R2 − B2 − R2 − b2 ,
h 2  R 2 − B 2  R 2 − b 2 − 2 R 2 − B 2 R 2 − b 2  . Como h 2  B 2  b 2 − 2R 2  h 2  S 2 − 2P − 2R 2 ,
operando h 2  S 2 − 2P − 2R 2  2  4R 2 − B 2 R 2 − b 2  
S 2  h 2  2 − 4R 2 h 2
4
2
2
2
. Luego B y b son las raíces de la
 4R − R S − 2P  P , de donde P 
4S 2  h 2 
2
2
2
2
S 2  h 2  − 4R 2 h 2
 0, de donde x  1 S  4R −2 S −2 h
, es decir:
ecuación x 2 − Sx 
2
4S 2  h 2 
S h
2
2
2
2
2
2
B  1 S  4R −2 S −2 h
y b  1 S − 4R −2 S −2 h
.
2
2
S h
S h
127
D 67- Se da un polígono ABC. . . de n lados y una recta XY exterior. Se trazan las perpendiculares a
dicha recta, AA ′ , BB ′ ,...y se considera el polígono A ′′ B ′′ C ′′ . . . , siendo estos vértices los puntos
medios de AA ′ , BB ′ ,... Demostrar que el área de este es la mitad de la de aquel.
Solución:
X
A’
B’
A’’
A
B’’
B
C’
C’’
C
Y
Partiendo de un vértice cualquiera, por ejemplo A, se descompone el polígono en triángulos: ABC,
ACD, ADE,... Se tiene que: S ABC  S CAC ′ A ′ − S ABA ′ B ′ − S BCB ′ C ′ .
Luego, 1 S ABC  S C ′′ A ′′ C ′ A ′ − S A ′′ B ′′ A ′ B ′ − S B ′′ C ′′ B ′ C ′  S A ′′ B ′′ C ′′ .
2
D 68- Se considera el cuadrilátero ABCD, formado por los lados no paralelos de un trapecio isósceles
AB  CD  a, y las diagonales AC y BD  b. Se toman sobre BD, AC y DC, tres puntos M, N y
O, tales que MB  NC  OC  k. Demostrar que O, M y N están alineados, y que cuando
MD
NA
OD
ABCD se deforma, permaneciendo fijos A y B, el producto OM  ON es constante.
Solución:
C
B
P
N
M
O
D
A
En el trapecio isósceles ABCD, la recta MNO es paralela a la base, cortando a AB en P. Como es
inscriptible, se tiene BD  AC  BC  AD  AB  CD, es decir b 2  BC  AD  a 2 ,
BC  AD  b 2 − a 2 . En el triángulo ADC, se tiene ON  AD  OC . En el BCD, OM  BC  OD .
CD
CD
kb 2 − a 2 
AD

OC

BC

OD
Luego OM  ON 

, que es constante.
CD 2
k  1 2
128
Sección E - CIRCUNFERENCIA
E 1- Determinar un punto desde el que se vean dos circunferencias dadas bajo ángulos dados.
Solución:
A
M
C
A’
B
O
O’
N
Sean las circunferencias O y O ′ (de trazos llenos en la figura). Por un punto cualquiera B de O, se
traza la tangente BA, y formando con esta el ángulo dado, se traza la tangente AC. La
circunferencia de radio OA es el lugar de los puntos desde los que se ve la circunferencia O bajo el
ángulo dado. Se procede de la misma forma con la circunferencia O ′ , obteniéndose la
circunferencia de radio OA ′ . Desde los puntos M y N, intersección de las dos circunferencias
construidas, se ven las dos dadas bajo los ángulos dados (puede haber dos puntos, como en el caso
de la figura, uno o ninguno si las circunferencias construidas no tienen ningún punto común)
E 2- Dada una circunferencia O, una recta r y un punto A, trazar por A una recta que corte en B y C a
la circunferencia, de modo que la suma de sus distancias a r sea una longitud dada.
Solución:
D
r
F
E
A
O’
C
O
r’
G
B
Supuesto resuelto el problema, sean BD y CE las distancias a r. En el trapecio BCED, la paralela
media FG tiene como longitud la semisuma de sus bases, es decir la mitad de la distancia dada, por
lo que G se encuentra sobre r ′ , paralela a r a una distancia de ella igual a la mitad de la longitud
dada. Por otra parte, siendo G el punto medio de BC, el ángulo OGA es recto, por lo que G se
encuentra sobre la circunferencia de centro O ′ , punto medio de AO, y radio O ′ A. El punto G,
intersección de esta circunferencia con la recta r ′ , unido con A, determina la recta solución.
129
E 3- Dados dos puntos A y B sobre un diámetro de una circunferencia O que se supone es un billar
circular, en qué dirección hay que lanzar una bola desde A para que llegue a B (se excluye la
dirección del diámetro).
Solución:
P
t
A
O
C
B
Sea P el punto de la circunferencia hacia el que hay que lanzar la bola, de forma que APO  OPB,
por lo que PO es la bisectriz de APB. Siendo PC la tangente en P (bisectriz exterior de APB), se
tiene ABOC  −1, pues los pies de las bisectrices, interior y exterior, son conjugados armónicos
de los vértices del lado opuesto al ángulo de que se trate. Por tanto, conocido C, se traza la
tangente a O, obteniéndose P.
E 4- Dadas dos rectas y una circunferencia, hallar un punto de la circunferencia tal que la suma de sus
distancias a las rectas sea mínima, y otro en que sea máxima.
Solución:
H
F
D
B
M
A
N
O
P
C
E
G
I
Sean las rectas AH y AI, y la circunferencia O. Supuesto resuelto el problema, sea M el punto cuya
suma de distancias MB y MC a las rectas, es mínima. La suma MB  MC es igual a la altura de un
triángulo isósceles de lados AB y AC prolongados, y base la tangente en M a la circunferencia.
Luego esta suma será mínima cuando lo sea la altura de dicho triángulo isósceles (la altura y la
bisectriz se confunden). Por tanto, para resolver el problema, se traza la bisectriz AP de BAC, y la
tangente a O, perpendicular a AP determina el punto M, cuya suma de distancias a las dos rectas es
mínima, mientras que al punto N, diametralmente opuesto a M, le corresponde la suma máxima.
130
E 5- Dada una recta r y dos círculos O y O ′ , hallar un punto M de r, de modo que las tangentes
trazadas desde él a las circunferencias, estén igualmente inclinadas sobre r.
Solución:
t6
t4
t1
t3
O
r
O’
M1
t2
M2
M3
M5
r
O’’
M4
t5
Las tangentes comunes a las dos circunferencias representan una solución. Es el caso de las
tangentes t 1 , t 2 , t 3 y t 4 de la figura, cuando O y O ′ están del mismo lado de r, y los puntos pedidos
son M 1 , M 2 , M 3 y M 4 . También es solución el punto M 5 , que se determina al trazar las tangentes
comunes a O y O ′′ , simétrica de O ′ respecto a r. Una de estas tangentes es t 5 que determina el
punto M 5 , desde el que se trazan las tangentes t 5 a O y t 6 a O ′ , siendo t 6 simétrica de t 5 respecto a
r. Si r está situada entre las dos circunferencias, caso de O y O ′′ , las tangentes comunes como t 5
determinan el punto solución M 5 , y también las tangentes comunes a O y O ′ , simétrica de O ′′
respecto a r, determinan los puntos solución M 1 , etc. En general hay cuatro puntos tipo M 1 y otros
cuatro puntos tipo M 5 .
E 6- Construir un círculo que corta diametralmente a dos círculos dados O y O ′ , y que pasa por un
punto dado P.
Solución:
P
C
A
L
F
N
E
G
O
H
K
O’
M
Q
B
D
El lugar geométrico de los centros de las circunferencias que cortan diametralmente a dos dadas, es
la recta simétrica de su eje radical, respecto del punto medio de la recta que une sus centros. A
estos efectos, un punto puede considerarse como un círculo de radio nulo. El eje radical de O y O ′
es AB, y su recta simétrica es CD. El eje radical de P y O ′ , es EF, y su recta simétrica, GH. El
punto K de intersección de CD y GH, es el centro del círculo pedido, siendo su radio KP.
131
E 7- Por el punto A de intersección de dos circunferencias O y O ′ , trazar una secante que determine
dos cuerdas de diferencia dada.
Solución:
A
D
O’
O
E
B
F
C
Sea AC la secante pedida, que delimita las cuerdas AC en O, y AB en O ′ , siendo BC la diferencia
dada. Sea D el punto medio de AB, y E el de AC, siendo por tanto DE la mitad de la diferencia
dada. El triángulo rectángulo OO ′ F se puede construir, pues se conocen sus lados OO ′ y
O ′ F  DE. Construido, se traza por A la perpendicular AC a OF.
E 8- Construir un círculo O, que pase por un punto dado P, sea ortogonal a un círculo dado O ′ , y
corte diametralmente a otro círculo dado O ′′ .
Solución:
n
m’
P
m
M
O
O’’
O’
El lugar geométrico de los centros de los círculos que cortan ortogonalmente a O ′ y al círculo
"degenerado" P, es su eje radical m. El lugar geométrico de los centros de los círculos que cortan
diametralmente a O ′′ y al círculo "degenerado" P, es la recta n, simétrica del eje radical m ′ de P y
O ′′ , respecto al punto medio M de O ′′ P. El punto O de intersección de m y n, es el centro del
círculo pedido, cuyo radio es OP.
E 9- Dados dos círculos O y O ′ , de radios R y R ′ , respectivamente, y un punto P, hallar dos radios
paralelos OM y O ′ M ′ , tales que los ángulos OPM y O ′ PM ′ , sean iguales.
Solución:
A
R’’
B
A’-M
R
P’
B’
B’’
O
P
O’’
B’’’-M’
R’
O’
Se gira PO ′ con centro P, sobre PO, obteniéndose la circunferencia O ′′ de radio R ′ . Con centro P y
132
razón PO′′ , se traza la circunferencia de centro O y radio R ′′ , homotética de O ′′ . En un punto
PO
cualquiera A de O, se traza el radio OA y el radio OB, estando B sobre OR ′′ , de forma que
AOB  OPO ′ , trazándose AB. Sobre esta, se lleva OP ′  OP, formándose el ángulo P ′ OP. Se
lleva MOA  B ′ OB  P ′ OP, con lo que MB ′ pasa por P, y corta a O ′′ en B ′′ . El ángulo formado
por O ′′ B ′′ con OM es igual a OPO ′ . Deshaciendo el giro, B ′′ se sitúa en B ′′′ − M ′ . Luego O ′ M ′ y
OM son paralelas, y O ′ PM ′  O ′′ PB ′′  OMP.
Nota: Para distinguir las circunferencias concéntricas, se indica a continuación del centro, el radio
entre paréntesis.
E 10- Trazar un círculo O tangente a otros dos círculos O ′ y O ′′ , conociéndose además el punto de
tangencia A con O ′ .
Solución:
O’
O’’’
O’’
A
B
O
Supuesto resuelto el problema, el triángulo OAB es isósceles, pues OA  OB. Se une O ′ con A, y a
partir de A hacia O ′ , se lleva AO ′′′  O ′′ B. Se une O ′′′ con O ′′ . Desde A se traza AB, paralela a
O ′′′ O ′′ . La recta O ′′ B corta a OA en O, que es el centro de la circunferencia pedida, siendo su radio
OA.
E 11- Dada una circunferencia O y un punto exterior M, trazar una secante MAB tal que el ángulo
AOB sea recto en O.
Solución:
A
M
C
B
O
Siendo R el radio de O, se traza una circunferencia concéntrica de radio
desde M a esta, resuelven el problema.
R 2
. Las tangentes
2
E 12- Se dan dos rectas que se cortan, AM y BM, y un círculo O de radio r tangente en A a AM. Trazar
otro círculo O 1 de radio R, tangente al anterior y a la recta BM.
Solución:
A
m
O
O2
M
O1
B
Se traza la recta m paralela a MB, a una distancia R. Desde O como centro y radio r  R, se corta a
m en O 1 y O 2 , que son soluciones del problema. También lo son, si se traza m a una distancia
R − r, siendo las circunferencias, en este caso, tangentes interiores.
133
E 13- Trazar un círculo que pase por dos puntos dados, P y P ′ , y sea tangente a un círculo C dado.
Solución:
T2
C
M
N
O’
E
T1
D
O
P
P’
Se traza una circunferencia cualquiera D, que pasa por P y P ′ y corta a la dada C en M y N. Sea E
el punto de intersección de PP ′ y MN. Este punto tiene la misma potencia respecto a C, a D y a la
buscada O. Las tangentes desde E a C, también lo serán a O. Por tanto hay dos soluciones, O y O ′ .
El centro O es la intersección de la mediatriz de PP ′ con la perpendicular OT 1 a la tangente ET 1 . El
centro O ′ es la intersección de dicha mediatriz con la perpendicular O ′ T 2 a la tangente ET 2 .
E 14- Trazar una circunferencia O que pase por un punto dado P, y sea tangente a dos rectas dadas r y
r′.
Solución:
r
m
O
P
O’
T’
P’
A
T
r’
El centro O está sobre la bisectriz del ángulo formado por r y r ′ . Siendo P ′ el simétrico de P
respecto a dicha bisectriz, PP ′ corta en A a una de las rectas, teniéndose AT 2  AP  AP ′  AT ′2 ,
luego hay dos soluciones O y O ′ .
E 15- Trazar una circunferencia O que pase por un punto dado P, y sea tangente a dos circunferencias
dadas C y C ′ , en el caso de centro de semejanza directo.
Solución:
t
t’
C
T’ C’
T
S
O’
O
P’
P
Siendo S el centro de semejanza directo de C y C ′ , siendo t y t ′ los puntos de tangencia de las
tangentes trazadas desde S a C y C ′ , y siendo T y T ′ los puntos de tangencia de O con C y C ′ , se
tiene: St  St ′  ST  ST ′  SP  SP ′ . Por tanto, se conoce P ′ , quedando el problema reducido a
trazar una circunferencia que pase por dos puntos y sea tangente a un círculo (E 13). Hay dos
soluciones O y O ′ en este caso de semejanza directa.
134
E 16- Trazar una circunferencia O que pase por un punto dado P, y sea tangente a dos circunferencias
dadas C y C ′ , en el caso de centro de semejanza inverso.
Solución:
T
P
t’
C’
C
S
t
T’
O’
P’
O
Siendo S el centro de semejanza inverso de C y C ′ , siendo t y t ′ los puntos de tangencia de las
tangentes trazadas desde S a C y C ′ , y siendo T y T ′ los puntos de tangencia de O con C y C ′ , se
tiene: St  St ′  ST  ST ′  SP  SP ′ . Por tanto, se conoce P ′ , quedando el problema reducido a
trazar una circunferencia que pase por dos puntos y tangente a un círculo (E 13). Hay dos
soluciones, O y O ′ , en este caso de semejanza inverso.
E 17- Trazar una circunferencia O que pase por un punto P, sea tangente a una recta r y a una
circunferencia C, en el caso de centro de semejanza inverso.
Solución:
M
O’
C
P’
S
N
r
P
O
Q
R
Supuesto resuelto el problema, se traza la perpendicular desde C a r, que corta a C en M y N, y se
traza la perpendicular OR a r. Siendo S el centro de semejanza inverso de C y O, se tiene
MN  MQ  MS  MR, pues NS y QR son antiparalelas en el ángulo QMR. Como el primer
miembro de la igualdad es constante, también lo es la potencia de M respecto a O, luego se conoce
el punto P ′ , tal que MP ′  MP  MS  MR. El problema se reduce a trazar una circunferencia
tangente a otra dada y que pasa por dos puntos dados (E 13). Hay dos soluciones O y O ′ .
135
E 18- Trazar una circunferencia O que pase por un punto P, sea tangente a una recta r y a una
circunferencia C, en el caso de centro de semejanza directo.
Solución:
P’
N
S
O’
C
O
M
P
r
Q
R
Con los mismos razonamientos que en el problema E 17, se obtienen dos soluciones, O y O ′ .
E 19- Trazar una circunferencia O que sea tangente a dos rectas dadas r y r ′ , y a una circunferencia
dada C.
Solución:
r2
r
r1
O1
O4
C
O2
O3
r’1
r’
r’2
Disminuyendo el radio de C, de forma de convertirla en un punto, y trasladando las rectas dadas
paralelamente a sí mismas en una distancia igual al radio de C, el problema se reduce a trazar una
circunferencia que pase por un punto y sea tangente a dos rectas dadas (E 14). En total hay ocho
soluciones.
136
E 20- Trazar una circunferencia O que sea tangente a una recta dada r y a dos circunferencias dadas C
y C′.
Solución:
O
C
O’
C’
r
r’
Reduciendo una de las circunferencias dadas a un punto y aumentando el radio de la otra en el
radio reducido, y trasladando correspondientemente la recta, el problema se reduce a trazar una
circunferencia que pase por un punto y sea tangente a una recta y a una circunferencia (E 17 y E
18). En general hay ocho soluciones.
E 21- Trazar una circunferencia O que sea tangente a tres circunferencias dadas C 1 , C 2 y C 3 .
Solución:
C1
C2
S
O
C3
Reduciendo una de las circunferencias dadas a un punto y aumentando los radios de las otras dos
en la misma cantidad, el problema se reduce a trazar una circunferencia tangente a dos
circunferencias dadas y que pase por un punto (E 15 y E 16). Hay ocho soluciones.
137
E 22- Se da un círculo O, un diámetro AOB, y una cuerda CD perpendicular al diámetro. Trazar los
círculos inscritos en las cuatro regiones definidas en el círculo.
Solución:
E’
B’
C
F’’
C1
C2
G’
E
A
C’2
B
O
O’
C’1
G’’
D
G’’’
E’’
D’
G
B’’
D’’
F
Se trata del problema E 19. Basta trazar las dos circunferencias correspondientes a uno de los
semicírculos, pues las otras dos son simétricas respecto al diámetro.
E 23- Trazar un círculo O que sea corradical con otros dos dados exteriores O ′ y O ′′ , e intercepte en
una recta dada una cuerda de longitud dada.
Solución:
r
N
M
P
O’’
O’
O
T
Sea r el eje radical de O ′ y O ′′ y sea PN la recta dada, siendo P la intersección de la recta dada con
r. Siendo PT una tangente a O ′′ , se tiene PT 2  PM  PN  PMPM  MN, siendo MN la longitud
dada, luego se conocen M y N. La mediatriz de MN corta en O a O ′ O ′′ . El punto O es el centro de
la circunferencia pedida, y su radio es OM.
138
E 24- Se dan dos circunferencias exteriores O y O ′ , y dos puntos A y B en la primera. Hallar otro C,
también en O, de forma que AC y BC corten a O ′ en M y N, siendo MN de longitud conocida.
Solución:
A’
B
D
C
A
O
M
O’
N
Se gira el triángulo AMO ′ , con centro en O ′ , de forma que M coincida con N (el ángulo de giro es
MO ′ N  ). El punto A se situará en A ′ ; AM y A ′ N se cruzan en D, siendo  el ángulo que forman,
o bien su suplementario,  − . En el triángulo CDN se conocen sus tres ángulos:
DCN  ACB   (el arco que subtiende es constante), CDN   (o  − ), DNC   −  −  (o
  ), luego se conoce el ángulo BNA ′  CND. Por todo ello se deduce que N está en el arco
capaz de BNA ′ sobre BA ′ .
E 25- Trazar un círculo O que corte diametralmente a dos círculos dados O ′ y O ′′ , y ortogonalmente a
otro dado O ′′′ .
Solución:
r’
m
A
O’
M
B
r
O’’
O
O’’’
Se reduce O ′ a un punto y se aumentan los radios de O ′′ y O ′′′ en el radio de O ′ . El problema se
resuelve como E 8.
E 26- Se dan tres puntos A, B y C, sobre una recta. Trazar una circunferencia O que equidiste de los
tres puntos.
Solución:
O
E
H
B
A
D
C
F
Se ha de tener que AE  BF  CH. Se trazan tres circunferencias con el mismo radio y centros A,
B y C, y se halla la circunferencia tangente a estas tres (E 21). Como en el enunciado no se
cuantifica la distancia, hay infinitas soluciones.
139
E 27- Trazar un círculo O, ortogonal a dos círculos dados exteriores, O ′ y O ′′ , y tangente a una recta
dada AB.
Solución:
r
O’’
O’
D
A
O
T
M
B
N
O1
El lugar geométrico de los centros de los círculos ortogonales a los dos dados, es su eje radical r,
que corta a la recta dada en B. Sea D el centro de una circunferencia ortogonal a las dos dadas.
Desde B se traza la tangente BT a este círculo, y se lleva la longitud BT sobre BA, a uno y otro lado
de B, obteniéndose los puntos M y N. Las perpendiculares a AB en M y N, cortan a r en O y O 1 ,
centros de dos circunferencias que resuelven el problema.
E 28- Se dan dos círculos concéntricos de centro O. Trazar una recta que sea dividida por aquellos, en
tres partes iguales.
Solución:
B
A
C
H
D
O
Sea ABCD la solución, en la que AB  BC  CD. Se traza la perpendicular OH a AD. Siendo
HB  HC  a, AB  CD  2a, OH  b, OA  OD  R, OB  OC  r. Se tiene que
2
2
b  9r − R . Cualquier tangente a la circunferencia concéntrica con las dadas, de radio
8
OH  b, representa una solución del problema.
E 29- Se dan dos circunferencias exteriores O y O ′ , un punto M sobre la primera y un punto M ′ sobre
la segunda. Hallar otros dos puntos, X y X ′ , situados cada uno de ellos en una de las dos
circunferencias, de forma que los ángulos MOX y M ′ O ′ X ′ sean iguales, y el segmento XX ′ sea de
longitud conocida.
Solución:
P
A
M
B
X
X’
M’
O
O’
140
Hay un punto P del plano que unido con O y M, y con O ′ y M ′ , forma dos triángulos semejantes.
Es el polo doble. Este polo se encuentra sobre una circunferencia que pasa por los conjugados
, y además está en la circunferencia lugar
armónicos de O y O ′ , en la relación dada OM
O′M′
geométrico de los puntos cuya relación de distancias a M y M ′ , es conocida. El caso general es que
estas dos circunferencias se corten y den lugar a dos polos dobles. Se forma el triángulo PMM ′ . Se
prolongan PM y PM ′ , de forma que una paralela a MM ′ tenga la longitud dada. Sea AB esta
paralela. La longitud PA se lleva en PX, y la PB en PX ′ .
E 30- Trazar un círculo O que sea ortogonal a otros dos dados, O ′ y O ′′ , secantes entre sí, en A y B, y
que sea tangente a otro círculo dado O ′′′ .
Solución: Tomando como centro de inversión el punto A y con potencia de inversión la de A
respecto a O ′′′ , las inversas de O ′ y O ′′ son dos rectas, y la de O ′′′ es ella misma. La inversa de O,
será ortogonal a estas dos rectas, luego su centro será el punto de intersección de dichas rectas, ya
que la inversión conserva los ángulos, y será tangente a O ′′′ . Deshaciendo la inversión, queda
resuelto el problema.
E 31- Trazar una circunferencia C perteneciente a un haz definido por su eje radical r y un círculo O ′ ,
y que sea tangente a una recta dada t.
Solución:
r
r
r
A
C
t
O’
O’
C’
C
C
O’
t
B
M
T
A
t
A
N
En el caso de un haz elíptico (figura de la izquierda), el problema se reduce a trazar una
circunferencia que pase por los puntos A y B, en los que r corta a O ′ , y que sea tangente a t. En el
caso de un haz hiperbólico (figura del centro), desde A, intersección de r y t, se traza una tangente
AT a O ′ , llevándose a uno y otro lado de A, sobre t, AM  AN  AT. Los puntos M y N son los de
contacto de la circunferencia pedida. Se levantan las perpendiculares a t, MC y NC ′ , que
determinan los centros solución. En el caso de un haz parabólico (figura de la derecha), el centro C
está en la intersección de la bisectriz del ángulo formado por r y t, con la perpendicular desde O ′ a
r.
E 32- Trazar un círculo O que pase por un punto P dado y corte a dos círculos dados, O ′ y O ′′ , bajo
ángulos dados.
Solución: Con centro de inversión P y potencia de inversión la de P con relación, por ejemplo, a
O ′ , esta no varía, O ′′ se transforma en otra circunferencia, y O se transforma en una recta que corta
a aquellas según los ángulos dados, es decir que será tangente a circunferencias concéntricas de
ellas de forma que los ángulos de corte sean los dados. Las cuatro tangentes comunes darán, al
deshacer la inversión, cuatro círculos solución.
E 33- Trazar una circunferencia O que sea tangente a una recta dada r, que pasa por un punto dado P,
y que corta a un círculo dado O ′ bajo un ángulo dado.
Solución: Con centro de inversión P y potencia de inversión la de P con relación a O ′ , esta no
varía, la recta r se transforma en una circunferencia que pasa por P, mientras que el círculo pedido
se transforma en una recta, El problema se reduce a trazar una tangente común a la circunferencia
inversa de r y a una circunferencia concéntrica de O ′ , trazada de forma que sus tangentes corten a
O bajo el ángulo dado.
141
E 34- Trazar una circunferencia O, conociendo la polar m de un punto P dado, y una tangente t.
Solución:
M
P
n
O
m
t
Supuesto resuelto el problema, el punto M es vértice de un haz armónico formado por las
tangentes a O trazadas desde M (t y n), el rayo MP y la polar m. Se halla el rayo conjugado
armónico de t con relación a MP y m, obteniéndose el rayo n. El centro O está en la intersección de
la bisectriz de n, t con la perpendicular trazada desde P a m.
E 35- Probar que la circunferencia circunscrita O ′ a un triángulo autopolar ABC respecto a una
circunferencia dada O de radio R, es ortogonal a una circunferencia de centro O, de radio R 2 .
Solución:
B
A
O
O’
M
H
C
El punto O es el ortocentro del triángulo ABC, pues la perpendicular trazada por el polo a la polar
pasa por el centro de la circunferencia de la que el ABC es autopolar. El teorema de Carnot define
que, siendo CM la altura de C sobre AB, y siendo O el ortocentro, OM  MH, siendo H el punto en
que CM corta al círculo circunscrito. Siendo O el polo de AB, se tiene que OM  OC  R 2 , y como
2
2 R . Luego la potencia de O respecto al
OH  2  OM, se tiene que OH  OC  2R 2 
círculo circunscrito al triángulo autopolar es el cuadrado del radio de la circunferencia ortóptica o
de Monge, es decir que es ortogonal a ella.
E 36- Trazar una circunferencia conociendo uno de sus triángulos autopolares.
Solución:
N
M
A
O C
B
P
Sea PNM el triángulo autopolar. Su ortocentro es el centro O de la circunferencia pedida. El radio
OB es media proporcional entre OC y OP, conocidos.
142
E 37- Dividir gráficamente el área de un círculo, de dentro hacia fuera, en partes proporcionales a los
números 1, 2 y 3, por medio de círculos concéntricos.
Solución:
E
C
D
B
A O
Se divide el radio OC en partes proporcionales a los números dados: OA, AB  2  OA y
BC  OB. Se traza una semicircunferencia de diámetro OC, y se levantan las perpendiculares AD y
BE. Las cuerdas OD y OE son los radios de los círculos pedidos, pues las áreas de los círculos son
proporcionales a los cuadrados de los radios, y estos cuadrados lo son a los números dados.
E 38- Se da un círculo con su centro O, una recta r y un punto P. Trazar por el punto una recta
paralela a la dada utilizando solo la regla de un borde.
Solución:
A
C
I
F
H
G
O
E
J
D
B
r
M
N
Q
R
P
T
S
Se siguen las construcciones de la figura en el siguiente orden, con el objetivo de determinar en r
dos segmentos consecutivos iguales. Se traza el diámetro AB, que se prolonga hasta N en r, y el
diámetro CD. Se traza un tercer diámetro EF, en el que BD determina E, y AC determina F. La
recta AD corta a EF en G, y CB la corta en H. La recta BG corta a AE en I, e ID corta a r en Q. De
forma similar, CB corta a EF en H, AH corta a FB en J, y CJ corta a r en M. Los segmentos MN y
NQ son iguales, pues AB es la paralela media de ID y CJ (paralelogramos ACBD y AIBJ). La recta
PM corta a AN en R, obteniéndose QR. La recta PQ corta a AR en S. La recta MS es cortada por QR
en T. La recta pedida es PT, paralela a r.
143
E 39- Dados dos círculos O y O ′ , y un punto P fuera de ellos, trazar dos tangentes paralelas, r y r ′ ,
una a cada uno de ellos, de modo que la razón de sus distancias a P, sea dada.
Solución:
P
r
r’
O
O’’
O’
Supuesto resuelto el problema, si se multiplican O ′ y r ′ , con centro de homotecia P y razón la
dada, se obtienen O ′′ y r. Las tangentes comunes a O y O ′′ resuelven el problema, tras deshacer la
homotecia.
E 40- Se dan tres círculos C 1 , C 2 y C 3 . A todo otro círculo C se le hace corresponder un triángulo
cuyos lados son los ejes radicales de dicho círculo con relación a los tres dados. Demostrar que los
triángulos correspondientes a dos cualesquiera de dichos círculos C, son homológicos.
Solución: Sean a y a ′ los ejes radicales de C y C ′ con C 1 ; b y b ′ , con C 2 ; c y c ′ con C 3 . Las
intersecciones de aa ′ , bb ′ , cc ′ , están en línea recta, porque son puntos de la misma potencia con
respecto a C y C ′ , luego estas intersecciones forman el eje radical de C y C ′ . Como los triángulos
abc y a ′ b ′ c ′ , tienen sus lados de forma que dos a dos, se cortan en puntos de una misma recta, son
homológicos.
E 41- Dada una circunferencia O, y dos puntos M y N situados fuera de ella, hallar un punto X de la
circunferencia, tal que MX y NX la corten nuevamente en Y y Z, siendo YZ paralela a MN.
Solución:
M
Y
X
O O’
Z
N
Supuesto conocido X, los triángulos XYZ y XMN son semejantes, y MN es homotética de YZ con
centro de homotecia X, transformándose la circunferencia O en otra O ′ que pasa por M y N, y que
es tangente a O en X. Por tanto el problema se reduce a hallar una circunferencia O ′ , que pase por
M y N, y sea tangente a O (ver E 13). Los puntos de tangencia resuelven el problema.
E 42- Se da una circunferencia O y dos puntos A y B fuera de ella. Trazar una tangente a O, de forma
que las distancias de A a la tangente y a una perpendicular trazada por B a la tangente, estén en una
relación conocida.
Solución:
A
F
B
B’
B’’
O
D C
E
Sea la tangente pedida DE, y sea FE su perpendicular por B. Girando AB con centro en A, un
144
ángulo recto, B se sitúa en B ′ ; y si se multiplica AB ′ por la razón dada, B ′ se sitúa en B ′′ , que está
en la tangente pedida.
Nota: El lugar geométrico de los puntos de intersección de las tangentes trazadas a O, con las
perpendiculares trazadas a ellas desde un punto dado, es un caracol crunodal.
E 43- Tres circunferencias de centros O 1 , O 2 , O 3 , pasan por dos puntos dados, C y D. Una recta que
pasa por C, corta a las tres circunferencias en los puntos A 1 , A 2 , A 3 . Demostrar que
A1A2  O1O2 .
A2A3
O2O3
Solución:
A3
C
B1
A2
B2
B3
A1
P
O2
O1
O3
D
Sean O 1 B 1 , O 2 B 2 , O 3 B 3 , las perpendiculares trazadas desde los tres centros sobre la recta
CA 1 A 2 A 3 . Luego, B 1 B 2  A 1 A 2 , y sus análogas. Siendo  el ángulo que forma la recta CA 1 A 2 A 3
2
con la recta de los centros, se tiene: cos   O 1 O 2  2O 1 O 2  O 2 O 3  2O 2 O 3 . Por tanto,
B1B2
B2B3
A1A2
A2A3
A1A2  O1O2 .
A2A3
O2O3
E 44- Dibujado un arco de círculo, encontrar su centro utilizando solo el compás.
Solución:
O
b
a
D
F
C
G
E
B
A
Sea el arco ab. Con centro en un punto cualquiera A del arco, se traza una circunferencia
cualquiera, que corta a ab en B y C. Con centro en B y C, y radios BA  CA, se trazan arcos que se
cortan en D. Con centro en D y radio DA, se traza un círculo que corta al anterior en E y F. Con
centro en E y F, y radios EA  FA, se trazan arcos que se cortan en O. En efecto, sea AB  a y
OA  OB  OC  R. Se trata de que E y F estén sobre la mediatriz de OA. Es decir, si es G el pie
2
de la perpendicular desde E a OA, GA  R . El radio AD  a . El círculo con centro A y radio a,
R
2
2
es cortado en E por el de centro D y radio a . Por tanto a es media proporcional entre su
R
2
2
proyección AG y el diámetro 2  AD, es decir, como 2  AD  2a , a 2  AG  2a , de donde
R
R
AG  R .
2
145
E 45- Trazar un círculo corradical con otros dos dados exteriores, y que corte diametralmente a otro
círculo dado.
Solución:
c
b
a
O’
P
O’’
O’’’
Sean O ′ y O ′′ los círculos corradicales con el pedido, y sea O ′′′ el que ha de ser cortado
diametralmente. Los círculos O ′ y O ′′ forman un haz, que al invertirlo tomando como centro de
inversión un punto límite P del haz (son exteriores), se transforman en los círculos concéntricos a
y b, con centro en P. Por tanto, el centro del círculo pedido es P. Si además, la potencia de
inversión es la de P respecto a O ′′′ , este círculo permanece invariable. Luego, se traza el círculo c
concéntrico con a y b, y que corte diametralmente a O ′′′ . El círculo pedido es el que corresponde a
este círculo cuando se deshace la inversión.
E 46- Trazar a una circunferencia dada O, una tangente t cuyas distancia a dos puntos dados A y B,
tengan una suma dada.
Solución:
B
C
A
t
M
D
N
O
Sean AM y AN las distancias desde A y B a t. En el trapecio ABMN, se conoce C, punto medio de
AB, y la paralela media CD  AM  BN . Se traza el círculo de centro C y radio CD. Las tangentes
2
comunes a los dos círculos resuelven el problema.
146
E 47- Por un punto dado A, trazar dos circunferencias O 1 y O 2 , que se corten bajo un ángulo dado .
Se conoce la relación q entre sus radios y se sabe que cada una de ellas debe ser tangente a una
recta dada, m 1 y m 2 respectivamente.
Solución:
m’2
m1
m’’2
t2
t1
A
O2
O’1 O1
m2
El ángulo entre las tangentes t 1 y t 2 en A, es , y el ángulo O 1 AO 2   − . Se gira AO 2 un ángulo
 − , con lo que O 2 se sitúa en O ′1 . Multiplicando O ′1 por la relación dada q, se obtiene O 1 . Tras
estas operaciones m 2 ha pasado a m ′2 , y luego a m ′′2 . Se trata ahora de trazar un círculo O 1 que pasa
por A y es tangente a m 1 y a m ′′2 (ver E 14).
E 48- Trazar un círculo O, que pase por un punto P, sea tangente a una recta r y corte a otro círculo
dado O ′ bajo un ángulo dado .
Solución:
Aplicando una inversión con centro P y potencia la de P respecto a O ′ , esta
circunferencia no varía, r se transforma en un círculo O ′′ que pasa por P, y el círculo pedido O se
transforma en una recta tangente a O ′′ y a una circunferencia C concéntrica con O ′ y de radio tal
que sus tangentes corten a O ′ bajo el ángulo dado. Las inversas de las tangentes comunes a C y O ′′
solucionan el problema.
E 49- Trazar una circunferencia O que corte ortogonalmente a otra circunferencia O ′ dada, que corte
bajo un ángulo dado  a otra circunferencia O ′′ también dada, y que pase por un punto P dado.
Solución: Aplicando una inversión de centro P y potencia la de P respecto a O ′′ , esta no varía, O ′
se transforma en otra circunferencia O 1 , y O en una recta que es tangente a una circunferencia C
concéntrica con O ′′ y de radio tal que sus tangentes cortan a O ′′ bajo el ángulo dado, y que pasa
por el centro de O 1 , pues la corta ortogonalmente. Las inversas de estas rectas que pasan por el
centro de O 1 y son tangentes a C, solucionan el problema.
E 50- Dado un círculo O y un punto P de su perímetro, trazar círculos tangentes interiores en P, que
lo dividan en tres partes equivalentes.
Solución:
O
O’
O’’
P
Siendo R el radio de O, y R ′ y R ′′ los radios de las circunferencias buscadas, se tiene
R 2  3 R ′2  3R ′′2 . De donde R ′  2 R , R ′′  R .
2
3
3
147
E 51- Dado un círculo C y una semirrecta AB exterior al círculo, se supone un ángulo constante cuyo
vértice V recorre la circunferencia C y del que un lado pasa siempre por A. Hallar gráficamente la
posición de V para que la longitud del segmento interceptado por el ángulo en AB, sea dada.
Solución:
D
A
O
B
V2
C
V1
Sea AD la longitud dada. Se traza el arco capaz O del ángulo dado V, sobre AD, que corta a C en
V 1 y V 2 , soluciones del problema (puede haber una, dos o ninguna solución).
E 52- Se dan tres puntos P, A y B. Por P se traza una recta variable r. Se sabe que por A y B se puede
hacer pasar dos círculos C y C ′ tangentes a r en M y M ′ . Demostrar que el círculo O que pasa por
AMM ′ , pasa por un punto fijo, además del A, al girar r alrededor de P.
Solución:
P1
A
Q
M1
(r)
B1
M’1
Aplicando una inversión de centro A y potencia cualquiera, el punto P se transforma en el P 1 , el B
en el B 1 , los círculos C y C ′ , en las rectas B 1 M 1 y B 1 M ′1 , y la recta r en un círculo r que pasa por
A y es tangente a B 1 M 1 y B 1 M ′1 . El círculo AMM ′ se transforma en la recta M 1 M ′1, , polar de B 1
respecto del círculo r. La recta M 1 M ′1 pasa por el punto fijo Q, intersección de AP 1 y M 1 M ′1 ,
luego todos los círculos O pasan por un punto fijo.
E 53- Se dan dos círculos O y O ′ . Trazar por un punto dado P, una secante AD que determine en ellos
dos segmentos iguales AB  CD.
Solución:
A
B
O
P
M
C
D
O’
O’’
Supuesto resuelto el problema, se traslada O paralelamente a la recta pedida AD, situándose en O ′′ ,
siendo O ′ O ′′ perpendicular a AD. Al ser OO ′′ O ′  90º, el lugar geométrico de O ′′ es el círculo de
diámetro OO ′ . El punto P pertenece al eje radical de O ′ y O ′′ , luego PO ′2 − R ′2  PO ′′2 − R 2 ,
siendo R el radio de O y O ′′ , y R ′ el de O ′ . Como se conocen PO ′ , R y R ′ , la distancia PO ′′ es
conocida. El arco de centro P y radio PO ′′ corta al círculo de diámetro OO ′ en O ′′ . La recta AD es
paralela a OO ′′ .
148
E 54- Se dan tres puntos A, B y P. Sobre AB se da un punto variable C. Se consideran las
circunferencias S y S ′ circunscritas a los triángulos PAC y PBC. Se traza la circunferencia S 1 que
pasa por P y A, y que es ortogonal a S. Y se traza la circunferencia S ′1 , que pasa por P y B, y que es
ortogonal a S ′ . 1º) Demostrar que S y S ′ se cortan bajo un ángulo  determinado. 2º) Demostrar que
S 1 y S ′1 se cortan bajo el mismo ángulo . 3º) Siendo D, E y F los puntos de encuentro de los pares
de circunferencias S 1 y S ′1 , S y S ′1 , S ′ y S 1 , hallar el lugar geométrico de D, E y F. 4º) Demostrar
que el círculo que pasa por P, C y D, tiene su centro en AB.
Solución:
s1
D’
s’1
P
s
s’
B’
A’
s1
C’
s’1
s’
s
F’
E’
Aplicando una inversión de centro P y potencia cualquiera, se realizan las siguientes
transformaciones: la recta ABC se transforma en la circunferencia A ′ B ′ C ′ que pasa por P; la
circunferencia S se transforma en la recta s que pasa por A ′ y C ′ , y la S ′ en la recta s ′ que pasa por
B ′ y C ′ ; la circunferencia S 1 en la recta s 1 que pasa por A ′ y es perpendicular a s, y la
circunferencia S ′1 en la recta s ′1 que pasa por B ′ y es perpendicular a s ′ ; D ′ , E ′ y F ′ son los inversos
de D, E y F, siendo los puntos de intersección de s 1 y s ′1 , s y s ′1 , s 1 y s ′ ; el círculo PCD se
transforma en la recta C ′ D ′ . 1º) el círculo A ′ B ′ C ′ es fijo, así como A ′ y B ′ , el ángulo A ′ C ′ B ′   es
fijo pues la cuerda que subtiende, A ′ B ′ , es fija. 2º) s 1 y s ′1 son perpendiculares a s y s ′ , luego su
ángulo es . 3º) El lugar geométrico de D ′ es el círculo A ′ B ′ C ′ , luego el de D es la recta AB. Como
A ′ F ′ B ′  A ′ E ′ B ′ , los lugares geométricos de E ′ y F ′ son círculos, y los de E y F son sus círculos
inversos. 4º) La recta C ′ D ′ inversa del círculo PCD, es ortogonal al círculo A ′ B ′ P (pasa por su
centro), luego AB es ortogonal al círculo PCD, es decir pasa por su centro.
E 55- Se dan dos puntos A y H, una circunferencia O, y una recta BC. Encontrar un punto E sobre la
circunferencia, tal que al unirlo con A y H, la cuerda FG que determina en O, sea paralela a BC.
Solución:
B
A
F
E
O
G
H
C
Se toman sobre la circunferencia O, sucesivos puntos G 1 , G 2 ,... Se trazan las paralelas a la
dirección dada BC, que cortan a la circunferencia en F 1 , F 2 ,... Uniendo G 1 ,G 2 ,... con H, y F 1 , F 2 ,...
con A, se forman sobre O, dos series proyectivas E 1 , E 2 ,... y E ′1 , E ′2 ,... cuyos puntos dobles
solucionan el problema.
149
E 56- Se da un círculo O, un punto A y una recta r que pasa por A. Demostrar que 1º) Hay dos
círculos, O ′ y O ′′ , tangentes a O y tangentes a r en A. 2º) La recta que une los puntos de contacto
de estos dos círculos con O, pasa por un punto fijo cuando r gira alrededor de A.
Solución:
o’
B
O
o’’
r
A
Aplicando una inversión de centro A y potencia la de A respecto a O, esta no varía, como tampoco
r, mientras que O ′ y O ′′ se transforman en dos rectas, o ′ y o ′′ , paralelas a r y tangentes a O. 1º)
Luego al haber dos rectas o ′ y o ′′ , hay dos círculos inversos de ellas. 2º) La recta que une los
puntos de contacto de o ′ y o ′′ con O, pasa por el centro de O. Su inversa es una circunferencia que
pasa por A y por los dos puntos de tangencia. La potencia de O respecto a este círculo es
−R 2  −OA  OB, siendo R el radio de O. Como este es fijo, así como OA, también lo es OB, luego
B es fijo.
E 57- En el plano de un triángulo ABC, se da un punto O y una transversal . Las rectas O, O y
O, cortan a los círculos OBC, OCA y OAB en a, b y c. Demostrar que O, a, b y c son concíclicos.
Solución:
A
c
a
O
γ
β
B
C
α
b
En el círculo OBC, se tiene O  a  B  C. En el OAC, O  b  A  C. Luego  es el
eje radical del círculo Oab y del círculo circunscrito al triángulo ABC, siendo  el punto donde este
eje radical corta a AB. Por tanto O  c  O  c ′ , siendo c ′ el punto en que el círculo Oab corta
a O. Luego c ≡ c ′ , por lo que c está en la circunferencia Oab.
E 58- Se da una circunferencia O y un triángulo ABC autopolar respecto a O. Demostrar que el
triángulo polar recíproco del triángulo órtico del ABC, es semejante a este y hallar la relación de
semejanza.
Solución:
B’
O
P
N
A
C
M
C’
B
A’
Por ser BC polar de A, la altura AM pasa por O, siendo A y M conjugados armónicos respecto a los
150
puntos en que AM corta a O. Luego la polar de M es la perpendicular por A a OM, o sea la paralela
a BC por A. Por tanto, el triángulo polar recíproco del MNP, es el A ′ B ′ C ′ , respecto al cual el
triángulo ABC es el mediano, con lo que queda demostrado que son semejantes con razón 1 .
2
E 59- Desde un punto P exterior a una circunferencia dada, se trazan las tangentes PA y PB, y las
secantes PCD y PEF. Demostrar que las rectas AB, CE y DF, se cortan en un punto.
Solución:
M
A
D
C
E
F
P
B
Los triángulos PCA y PAD son semejantes, luego: CA  PA . También lo son los triángulos
PD
AD
PCF y PED, así como los triángulos PEB y PFB, por lo que DE  PD , FB  PF .
PF BE
PB
CF
Multiplicando las tres igualdades obtenidas, y siendo PA  PB, se tiene: CA  DE  FB  1, que
AD  CF  BE
es la condición para que AB, CE y DF, sean concurrentes.
E 60- Se dan dos círculos de centros A y B fijos, cuyos radios a y b satisfacen la relación
ma  nb  p, en la que m, n y p son longitudes dadas. Hallar la envolvente de las tangentes
comunes a los dos círculos.
Solución:
C
H
A
E
D
F
G
Sea G un punto de AB, tal que AG  k  AB. Se tiene que
B
kp − ma
kp
EG  b  FG  b  1 − ka − b  1 − ka  kb  1 − ka 
 a1 − k − km
n
n  n
p
n
Por tanto EG será fijo cuando 1 − k − km
n  0, es decir cuando k  m  n , siendo EG  m  n .
Luego la envolvente de la tangente común CD (y de su simétrica respecto a AB) es una
p
circunferencia de centro G, situado sobre AB, a una distancia de A igual a nm AB
n y radio m  n .
Un razonamiento similar lleva a definir la circunferencia envolvente de las tangentes comunes
interiores.
151
E 61- Se da una circunferencia O y un diámetro AB en el que se marcan dos puntos P y Q, conjugados
armónicos de A y B. Se trazan las tangentes en A y B, y sus paralelas por P y Q. Una tangente
variable corta a las tangentes en M y N, y a las paralelas en H e I. Demostrar que al variar la
tangente, la relación OH es constante.
OI
Solución:
I
N
H
M
A
O
Q
B
P
2
Siendo R el radio de O, se tiene OP  OQ  R 2 . Haciendo OP  a, y AM  b, se tiene OQ  Ra ,
2
2
2
2
2b 2 R  R  aR 2 − b 2 
,
BN  R . Por tanto, OH2  a 4  HP , HP 
b
2bR
OI
R  IQ 2
a2
2b 2 a  R  aR 2 − b 2 
IQ 
. Sustituyendo y operando OH  a , que es constante.
R
OI
2ba
E 62- Se da una circunferencia O, un punto A sobre ella, y una cuerda MN cuyo punto medio es I. Se
toman sobre MN dos puntos B y C simétricos respecto a I. Las rectas AB y AC encuentran a O en
B ′ y C ′ . La recta B ′ C ′ corta a MN en P. La tangente en A a O, corta a MN en Q. Demostrar que P y
Q son simétricos respecto a I.
Solución:
A
O
P
M
I
B
C
N
Q
B’
C’
Los rayos AM, AB ′ , AC ′ y AN determinan una involución, siendo P su punto de Frégier. El rayo
homólogo de AP es la tangente AQ. Luego sobre MN se tiene una involución definida por los pares
de puntos B, C M, N P, Q , que tienen el mismo punto medio I.
152
E 63- Dos circunferencias dadas se cortan en los puntos A y B. Una secante que pasa por B, corta a las
circunferencias en C y D. Las tangentes en C y D se cortan en P. Por E, intersección de AP y CD,
se traza una paralela a CP, que corta a AC en F. Demostrar que FB es tangente a la circunferencia
dada ABD.
Solución:
A
F
C
B
E
D
G
P
Si la tangente en B corta a AC en F, de forma que FE sea paralela a CP, quedará demostrado el
enunciado. Se tiene que BCP  BAC, BDP  BAD. Luego, DPC   − BDP − BCP 
  − BAD − BAC   − DAC. Luego el cuadrilátero ACPD es inscriptible, por lo que
APC  ADB. Como FBE  GBD  BDG  CAP, el cuadrilátero FABE también es inscriptible,
por lo que FEA  ABF  ADB  APC. Es decir, FE es paralela a CP.
E 64- Se dan dos círculos O y O ′ . Se considera una circunferencia C tangente a O en T, y ortogonal a
O ′ , a la que corta en H y K. Demostrar que C es tangente a un círculo fijo.
Solución: Aplicando una inversión con centro un punto cualquiera de O ′ y potencia, por ejemplo,
la de este punto con relación a O, la circunferencia O no varía, la circunferencia O ′ se transforma
en la recta o ′1 , sobre la que tiene su centro la circunferencia C 1 , inversa de C. Luego C 1 es tangente
a la circunferencia simétrica de O respecto a o ′1 . Al deshacer la inversión, C es tangente a una
circunferencia fija, inversa de la simétrica de O respecto a o ′1 .
E 65- Se da una circunferencia O y otra O ′ , interior a aquella. Sobre O ′ se dan dos puntos M y N.
Encontrar sobre O ′ un tercer punto P, tal que PM y PN determinen en O el lado del triángulo
equilátero inscrito.
Solución:
M
P1
O’
O
Q1
N
R1
Q’1
El problema se resuelve por falsa posición en tres ensayos. Se eligen tres puntos P 1 ,... sobre O ′ . Se
unen con M y N, obteniéndose Q 1 ,... y R 1 ,... Los puntos Q 1 ,... se desplazan sobre O, un arco de
120º, obteniéndose Q ′1 ,... Los puntos dobles de las series R 1 ,... y Q ′1 ,... solucionan el problema.
153
E 66- En un punto A de una circunferencia dada, se traza su tangente t. Sea AB el diámetro
perpendicular a t. Sea P un punto dado del diámetro AB. Una circunferencia variable con centro en
un punto de t, pasa por P, y corta a t en C y D. Las rectas BC y BD cortan a la circunferencia dada
en M y N. Demostrar que MN pasa por un punto fijo.
Solución:
B
P
N
Q
M
t
C
D
A
AB y CD son perpendiculares. En el triángulo rectángulo PCD, se tiene: PA 2  AC  AD, luego
este producto es constante. Como MAN   − MBN, y siendo rectos los ángulos BMA, BNA y
BAD, los triángulos ABM y ABC son semejantes, así como los triángulos ABN y BAD. Siendo Q la
2
BQ
BQ
 S MBN  BM  BN  AB  AB  AB 2 . Luego
intersección de MN y AB, se tiene:
MA  AN
AQ
AQ
S MAN
AC AD
PA
es constante, por lo que Q es un punto fijo por el que pasa MN.
E 67- Demostrar que los inversos de los círculos de un haz F, forman otro haz F ′ . Estudiar el
problema según la clase del haz F.
Solución: a) Caso de que F sea elíptico (el eje radical corta a todas las circunferencias en dos
puntos llamados fundamentales): Siendo A y B, los puntos fundamentales de F, sus inversos A ′ y
B ′ serán puntos fundamentales de F ′ . Luego F ′ es otro haz elíptico cuyos puntos fundamentales
son los inversos de los de F. b) Caso de que F sea parabólico (el eje radical es tangente a todos los
círculos en un punto): Siendo A el punto común de tangencia, los círculos inversos tendrán un
punto común de tangencia A ′ , inverso de A. Luego F ′ es otro haz parabólico, con el punto de
tangencia A ′ , inverso de A. c) Caso de que F sea hiperbólico (los círculos son exteriores al eje
radical, y hay dos círculos reducidos cada uno de ellos a un punto; estos dos puntos se llaman
puntos límites): Si A y B son los puntos límites de F, serán los fundamentales del haz conjugado. Si
A ′ y B ′ son los inversos de A y B, serán los puntos límites del haz conjugado inverso, y por tanto
los
puntos
fundamentales
de
F′,
por
lo
que
F′
es
elíptico.
Nota: Dos haces son conjugados cuando los círculos de uno son ortogonales a los del otro. Como
la inversión conserva los ángulos, los haces inversos de dos haces conjugados, son también
conjugados entre sí.
E 68- Se designa por I el centro del círculo inscrito en el triángulo OAM, y por J, K y L, los centros de
sus círculos exinscritos. Siendo m el punto en que la bisectriz OIJ corta a la circunferencia de
diámetro KL, demostrar que m ′ , simétrico de m respecto a O, está sobre el círculo descrito sobre
KL como diámetro, y que los puntos I y J son conjugados respecto a este círculo.
Solución:
K
M
m’
I
m
O
J
A
L
Las rectas LM y KA, definen el punto I como conjugado de J respecto al círculo de diámetro KL.
Siendo OJ y OK las bisectrices interior y exterior de AOM, son perpendiculares entre sí, luego m ′ ,
simétrico de m respecto a KL, está sobre el círculo de diámetro KL.
154
E 69- Con los datos del problema anterior E 68, se consideran las inversiones cuyos polos son I, J, K
y L, y cuyas potencias respectivas, son Im  Im′, Jm  Jm ′ , Km 2 y Lm 2 . ¿Còmo transforma cada una
de estas cuatro inversiones a los puntos O, A y M? ¿Cuál es el efecto del producto de estas cuatro
inversiones sobre O, A y M, en el orden I, J, K y L de sus polos? ¿Cómo transforma este producto
de inversiones al círculo OAM, a un círculo que pasa por dos de estos puntos y un punto cualquiera
del plano? Hallar el valor de la suma algebraica de los inversos de las potencias de las cuatro
inversiones.
Solución: En el siguiente cuadro se expone cómo transforma cada inversión a cada uno de los
tres puntos O, A y M: Polo → I J K L
O
J I
L K
A
K L I
J
M
L K J I
Por ejemplo, la inversión de polo L transforma al punto A en el punto J. En el segundo cuadro se
ve la sucesiva aplicación de productos de inversiones sobre los puntos y círculos indicados en el
enunciado:
Inversiones aplicadas → I
IJ
IJK
IJKL
O
J

K
O
A
K
M
J
A
M
L
A
I
M
Círculo OAM
Círculo JKL
Recta AM
Círculo KIJ
Círculo OAM
Círculo OAX
Círculo JKX ′ Recta MX”
Círculo KJX ′′′ Cìrculo OAX
Círculo OXM
Círculo JX ′ L Recta X”A
Círculo KX ′′′ I Círculo OXM
Círculo XAM
Círculo X ′ KL Círculo X”MA Círculo X ′′′ JI Círculo XAM
Por ejemplo, el producto de las inversiones I, J y K, transforma al círculo OXM (círculo que pasa
por O y M y por un tercer punto cualquiera X), en un círculo que pasa por los puntos K, I y por el
inverso X ′′′ de X (al aplicar al punto X el producto de las tres inversiones, se obtiene X ′′′ )
Siendo el producto de las cuatro inversiones igual a la unidad, un punto cualquiera del plano se
transforma en sí mismo tras la aplicación sucesiva de las cuatro inversiones. El valor de la suma
algebraica de los inversos de las potencias de las cuatro inversiones, es:
1
1
1
1
1
1

 12  12 




IJ  IO
JL  JO
KO  KL
LO  LK
Im  Im ′
Jm  Jm ′
Km
Lm
1 − 1
1 − 1
 1
 1  JO − LO  1  LO − KO 
 1
KL KO
IJ
KL KO  LO
IJ IO
JO
LO
IO  JO
JI
LK
−1
1
 1 

−
 −1 2  1 2  0.
 1 
KL KO  LO
IJ IO  JO
IO  JO
KO  LO
Om
Om
E 70- Se da una circunferencia O y dos puntos A y B sobre ella, así como una recta r y un punto P
sobre esta. Determinar sobre O, un punto C tal que las cuerdas CA y CB determinen sobre r dos
puntos M y N, de forma que PM y PN estén en una relación dada m
n.
Solución:
r
B
M
O
A
C
O’
A’
P
N
n , se obtiene A ′ homotético de A. El homotético de M es N.
Con centro de homotecia P y razón m
Siendo AM y A ′ N paralelas, el ángulo BNA ′ es conocido, pues vale  − ACB. Luego trazando el
arco capaz del ángulo BNA ′ sobre A ′ B (círculo O ′ ), se obtiene N en su intersección con r.
155
E 71- Un ángulo constante gira alrededor de un punto fijo A de una circunferencia O, y sus lados
cortan a esta en B y C. Demostrar que de los tres lados del triángulo mediano del ABC, dos pasan
cada uno por un punto fijo, y el tercero envuelve a una circunferencia fija.
Solución:
A
M
N
O’
C’
B’
O
B
A’
C
La longitud de BC es constante, siendo tangente a una circunferencia concéntrica con O.
Aplicando una homotecia de centro A y razón 1 , se obtienen las circunferencias concéntricas de
2
centro O ′ , homotéticas de las concéntricas de centro O. Siendo A ′ B ′ C ′ el triángulo mediano del
ABC, el lado B ′ C ′ es tangente (envuelve) a la circunferencia homotética envuelta por BC, y los
lados A ′ B ′ y A ′ C ′ pasan por N y M, respectivamente, intersecciones del círculo de centro O
envuelto por BC, y del círculo homotético de la circunferencia O dada.
E 72- Sean A, B, C y D, cuatro puntos situados sobre una circunferencia, y sea P el polo de AB.
Demostrar que la razón anarmónica del haz P, ABCD  ABCD 2 sobre la circunferencia.
Solución:
A
D
M
S
P
Q
R
N
B
C
Sean S y M las intersecciones de PD con la circunferencia y con AB; sean R y N las intersecciones
de PC con la circunferencia y con AB; y sea Q la intersección de SC, RD y AB, puesto que por
construcción Q está sobre la polar de P. Cortando el haz por AB, se tiene P, ABCD  ABNM.
Proyectando los cuatro puntos dados desde R y cortando por AB, se tiene que
R, ABCD  ABNQ. Proyectándolos desde S y cortando por AB, se tiene que
S, ABCD  ABQM. Luego
AQ
BQ

ABCD 2  R, ABCD  S, ABCD  ABNQ  ABQM  AN  BN 
BM
AM
BQ
AQ
 AN  BN  ABNM  P, ABCD . Luego ABCD 2  P, ABCD .
BM
AM
E 73- Sobre la base BC de un triángulo ABC, se toma un punto cualquiera D, y se trazan las
circunferencias circunscritas a los triángulos ABD y ADC, cuyos centros son O y O ′ . 1º) Demostrar
que la relación de sus radios es constante cuando varía D. 2º) Determinar la posición de D para que
estos radios sean mínimos. 3º) Demostrar que los triángulos AOO ′ y ABC son semejantes. 4º)
Hallar el lugar geométrico del punto M que divide a la recta OO ′ en una relación dada, examinando
156
el caso en que M sea la proyección de A sobre OO ′ .
Solución:
A
O’
O
B
E
F
D
C
1º) En la circunferencia O, se tiene que BEA  BDA, pues subtienden el mismo arco. En la O ′ ,
BDA  AFC, pues el cuadrilátero ADCF es inscriptible. Luego al ser BEA  AFC, sus
complementarios también son iguales, es decir BAO  CAO ′ , siendo semejantes los triángulos
BAE y CAF, luego AE  AB  R′ . 2º) Como O está en la mediatriz de AB, R será mínimo
AF
AC
R
cuando valga AB , es decir cuando O y O ′ sean los puntos medios de AB y AC. En este caso D está
2
en la proyección de A sobre BC. 3º) Los triángulos AOO ′ y ABC son semejantes ya que
OAO ′  BAC y AB  R′ . 4º) El triángulo AOO ′ permanece semejante a sí mismo, siendo A fijo,
AC
R
y recorriendo O y O ′ rectas, que son las mediatrices de AB y AC. Por tanto los puntos homólogos
en la serie de estos triángulos semejantes, recorren rectas, por lo que el lugar geométrico de M, es
una recta. En el caso en que M sea la proyección de A sobre OO ′ , el lugar de M es la paralela
media a BC del triángulo ABC, ya que M es punto medio de AD.
E 74- Se da una circunferencia y un punto P exterior a ella. Se traza la secante PCD, y se proyectan
los puntos C y D en E y F sobre el diámetro AB que pasa por P. Las rectas DE y CF se cortan en
G, que se proyecta en I sobre AB. La recta BG corta a la secante PCD en H. 1º) Demostrar que GI
es la polar de P respecto a la circunferencia dada. 2º) Demostrar que H está sobre la tangente en A
a dicha circunferencia.
Solución:
M
D
Q
CH
G
B
A
F
I
E
P
C’
D’
1º) La recta PC ′ D ′ es simétrica de PCD respecto a AB. Considerando las diagonales DC ′ y CD ′
′
del trapecio isósceles CDC ′ D ′ , se tiene que IE  CC ′  CE  GC . Luego G e I están sobre
IF
DF
GF
DD
la misma paralela a DD ′ , es decir sobre la polar de P. 2º) Sea Q el punto de corte de GI con PCD, y
H ′ el de la intersección de la tangente en A con PCD. Se tiene que PIAB  −1  PQH ′ M.
Proyectando esta cuaterna desde B y cortando por la polar, se tiene PIAB  IQG ′ .
Proyectando PQCD  −1 desde F y cortando por la polar, IQG  −1. Luego G y G ′ se
confunden, por lo que H está sobre la tangente en A, confundiéndose H y H ′ .
157
E 75- En una circunferencia dada de centro O, se traza el diámetro AB y la cuerda perpendicular CD,
que corta a AB en M. Una circunferencia variable de centro P, es tangente a la cuerda CD en E, y al
arco CBD en F. Demostrar que la tangente AT, trazada desde A a esta circunferencia, es igual a AC.
Solución:
C
T
E
P
M
A
F
O
B
D
Los puntos O, P, F están alineados. Los triángulos isósceles FPE y FOA son semejantes, por lo que
los puntos F, E, A están alineados. Se tiene: AT 2  AE  AF  AEAE  EF  AE 2  AE  EF 
 AM 2  ME 2  CE  ED  AM 2  ME 2  CM − EMME  MD 
 AM 2  ME 2  CM − EMME  CM  AM 2  ME 2  CM 2 − ME 2  AM 2  CM 2  AC 2 .
Luego AT  AC.
E 76- Se dan dos circunferencias ortogonales O y  que se cortan en A y B. Se toma un punto C sobre
O, y otro D sobre . Demostrar que las circunferencias ACD y BCD son ortogonales.
Solución:
ω
D’
C’ ο
B’
Aplicando una inversión de centro A, las dos circunferencias dadas se transforman en dos rectas
perpendiculares o y , que se cortan en B ′ , inverso de B. El círculo ACD se transforma en la recta
D ′ C ′ , siendo D ′ y C ′ los inversos de D y C. Luego esta recta y el círculo B ′ C ′ D ′ , inverso del BCD,
son ortogonales, pues C ′ D ′ es diámetro del B ′ C ′ D ′ , al ser C ′ B ′ D ′  90º. Al deshacer la inversión,
los círculos ACD y BCD son ortogonales.
E 77- Se da una circunferencia O, y sobre ella dos puntos A y B, así como un diámetro fijo en
posición. Hallar sobre O un tercer punto C tal que las cuerdas CA y CB determinen sobre el
diámetro fijo un segmento MN de longitud dada.
Solución:
A
B’
MO
B
N
C
Se traslada el punto B a B ′ , paralelamente al diámetro dado y en una longitud igual a la dada MN.
El ángulo AMB ′ es conocido por ser igual al ACB, que es fijo porque lo es el arco AB que lo
subtiende. Se traza el arco capaz de este ángulo sobre AB ′ , que corta en M al diámetro dado. La
recta AM determina C sobre O. Puede haber dos soluciones (caso de la figura), una o ninguna.
158
E 78- Transformar por inversión 1º) Tres círculos en otros tres con sus centros situados sobre una
línea recta r. 2º) Tres círculos en otros tres iguales entre sí.
Solución: 1º) Sean O 1 , O 2 y O 3 los círculos dados, y O ′1 , O ′2 y O ′3 sus inversos cuyos centros
están en la recta r. Deshecha la inversión, los pies de las polares del polo de inversión respecto a
O ′1 , O ′2 y O ′3 , están sobre el círculo inverso de r, luego este círculo es el lugar geométrico de los
polos de inversión que transforman las circunferencias dadas en otras tres cuyos centros están
alineados. 2º) Sean R 1 , R 2 y R 3 los radios de los círculos dados, sean P 1 , P 2 y P 3 las potencias del
polo de inversión respecto a ellos, y sea k la potencia de inversión. Se tiene
R 1  k  R 2  k  R 3  k , es decir P 1  R 1 y P 1  R 1 . Luego el polo de inversión es el
P1
P2
P2
R2
P3
R3
P3
punto cuya relación de potencias respecto a los tres círculos, tomados de dos en dos, es igual a la
relación de sus radios. La potencia de inversión puede ser cualquiera.
E 79- En el círculo circunscrito al triángulo dado ABC, se toma un punto variable N. La polar de este
punto respecto al ángulo A, corta a BC en D. Demostrar que ND pasa por un punto fijo.
Solución:
A
N
M
C
B D
P
AD es el rayo conjugado de AN respecto a BAC, por tanto A, BCDN  −1. Cortando este haz
por BC, se tiene BCDM  −1. Proyectando desde N y cortando por la circunferencia, se tiene:
N, BCDM  BCPA  −1. Como A, B y C son fijos, también lo es P, que es el punto fijo por
donde pasa ND.
E 80- Se dan dos círculos ortogonales O y O ′ , que se cortan en C y D. Sea AB un diámetro cualquiera
de O, y A ′ B ′ un diámetro de O ′ perpendicular a AB, Demostrar que de las cuatro rectas que unen
los puntos A, B, A ′ y B ′ , dos pasan por C y las otras dos por D.
Solución:
O’1
A’1
O1
B1
C1
A1
D1
B’1
En la figura se presenta la situación tras la aplicación de una inversión de centro D, manteniendo
las mismas letras con el subíndice 1, para denominar los elementos inversos, que las utilizadas en
el enunciado para los datos. Las rectas perpendiculares O 1 y O ′1 son las inversas de los círculos
dados. Los círculos ortogonales que se cortan en D 1 ≡ D son los inversos de los diámetros dados,
que cortan a las dos perpendiculares O 1 y O ′1 , en A 1 B 1 y A ′1 B ′1 . La recta A 1 B ′1 D 1 , al deshacer la
inversión, sigue pasando por D. Igualmente, la recta A ′1 B 1 D 1 , también seguirá pasando por D al
deshacer la inversión. El círculo A 1 A ′1 D 1 pasa por C 1 (siendo A 1 D 1 A ′1  A 1 C 1 A ′1  90º). Al
deshacer la inversión, se transforma en la recta AA ′ que pasa por C. El círculo B 1 B ′1 D 1 pasa por C 1
(siendo A ′1 D 1 B ′1  B 1 C 1 B ′1  90º). Al deshacer la inversión, se transforma en la recta BB ′ que pasa
por C.
159
E 81- Se da un punto A y dos líneas. Trazar una secante MAN limitada en esas dos líneas, de forma
que AM  AN, analizando las siguientes clases de líneas: 1º) Las líneas son dos rectas. 2º) Las
líneas son una recta y una circunferencia. 3º) Las líneas son dos circunferencias.
Solución:
M
O’’
r
M
r’
r’’
M’
M
M’
O
A
N
O
A
A
r’
N’
O’
r
N
N’
N
En los tres casos se procede de la siguiente forma: se traza la simétrica de una de las líneas con
relación a A. Donde corta a la segunda línea se tendrá el punto M, siendo N el simétrico de M
respecto a A. Para que exista solución, la simétrica de la primera línea debe cortar a la segunda
línea. En los casos 2º y 3º puede haber uno (tangencia) o dos puntos M, o ninguno.
E 82– Se determina un segmento circular fijo en una circunferencia dada. Se trazan dos
circunferencias inscritas en dicho segmento circular, que se cortan en los puntos K y L. Demostrar
que las rectas KL, al variar las dos circunferencias inscritas, pasan por un punto fijo.
Solución:
C
T
K
A
M
O
L
B
D
Sea el segmento circular limitado por la cuerda CD y el arco CBD subtendido por ella. Sea AB el
diámetro perpendicular a la cuerda CD, a la que corta en M. Por el problema E 75, se sabe que las
tangentes trazadas desde A a las circunferencias inscritas en el segmento circular definido, son
iguales a AC. Luego A se halla en el eje radical de las dos circunferencias inscritas, es decir en la
recta KL. Luego esta recta pasa por el punto fijo A.
160
E 83- Exponer diferentes modos de rectificar arcos de circunferencia.
Solución:
E
E
D
D
F
C
F G
H
O
A
C
B
O
B
A
H
En la figura de la izquierda se expone un método para rectificar un cuadrante de la circunferencia
O. En la semicircunferencia ADB se toman tres cuerdas AD, DC y CB, iguales cada una de ellas al
radio. Desde B, con radio BD, se traza el arco DE. Desde A, con radio AC, se traza el arco CE.
Desde C, con radio CE, se traza el arco EF. El segmento FB equivale aproximadamente a un
cuadrante de la circunferencia O. En efecto, en el cuadrilátero FCBH, se tiene
FC  HB  FH  CB  FB  HC; suponiendo AD  DC   CB  1, HC  2, HB  3 ,
FH  4 − FC 2 , FC  EG 2  GC 2  3 − 6 ,
2  FB  3  FC  4 − FC 2  9 − 3 6  1  6  3, 1424.
Para rectificar un arco cualquiera, se puede seguir el procedimiento de la figura de la derecha. Sea
AD el arco a rectificar. En el diámetro AB se toma BC  0, 752  R. Sea OD el radio perpendicular
al diámetro AB. La recta CD corta en E a la tangente en A, siendo AE la longitud aproximada del
cuadrante AD. Para rectificar cualquier arco, por ejemplo el AF, la recta CF corta en G a la
tangente en A, siendo AG la longitud aproximada del arco AF. La demostración para el cuadrante,
es la siguiente. Se traza OH paralela a CDE. Si AE  R  1, 5708, para R  1, AH  0, 5708.
2
Ahora
bien,
en
los
triángulos
semejantes
CEA
y
OHA,
se
tiene
OD

OA
1
AH 

 0, 5708.
CO
1, 752
E 84- Encontrar la cuarta proporcional a tres segmentos dados a, b y c, utilizando solo el compás.
Solución:
a
b
B1
O
B1
A1
A
B2
A
C1
B
C2
Con centro el punto O (figura de la izquierda), se trazan las circunferencias de radio a y b. Desde
un punto A de la circunferencia Oa, se lleva AB  c. Con centro en A y en B, y con radio
AA 1  BB 1 , cualquiera, se corta a Ob en A 1 y B 1 . El segmento A 1 B 1 es la cuarta proporcional de
a, b y c. En efecto, los triángulos AOA 1 y BOB 1 son iguales; son semejantes los triángulos
isósceles AOB y A 1 OB 1 ; luego a  c . También se puede construir según la figura de la
A1B1
b
derecha. Desde los extremos C 1 y C 2 del segmento C 1 C 2  c, se trazan con radio a dos
circunferencias que se cortan en A. Con centro A se traza la circunferencia de radio b, que corta a
las anteriores en B 1 y B 2 . El segmento B 1 B 2 es la cuarta proporcional buscada. En efecto, los
triángulos C 1 B 1 A y C 2 B 2 A son iguales, y son semejantes los C 1 AC 2 y B 1 AB 2 , luego a  c .
B1B2
b
161
E 85- Demostrar gráficamente que la media geométrica de dos números positivos, está comprendida
entre su media aritmética y su media armónica.
Solución:
D
F
A B
C
E
O
Siendo los números dados a y b, su media aritmética es a  b  m, su media geométrica es
2 2
g
1
a  b  g, y su media armónica
 2ab  h  m . Sea a  b  AC. Se traza el
1  1
ab
a
b
2
semicírculo de centro O, siendo AO  a  b  m. Siendo AB  a y BC  b, se traza la
2
perpendicular BD  g, siempre menor que AO, salvo que a  b. Se traza una semicircunferencia
OFE, de forma que CF  g y CO  m. Se tiene que EC  h, pues CE  CO  CF 2 . Siempre EC
será menor que CO, salvo que a  b. Luego con carácter general, h  g  m.
E 86- Se dan dos círculos O y O ′ , y dos puntos A y B situados sobre O. Encontrar sobre O ′ un punto
M tal que si P y Q son los puntos en que AM y BM cortan a O ′ , PQ sea de longitud dada.
Solución:
A
Q
M
O
O’
P
B
Se conoce el ángulo AMB  PMQ, que es fijo por subtender el arco dado PQ. Se traza el arco
capaz de AMB sobre AB, que corta a O ′ en el punto pedido M (puede haber dos soluciones, una o
ninguna).
E 87- Se dan dos círculos O y O ′ , y dos puntos A y B situados sobre O. Encontrar sobre O un punto M
tal que si P y Q son los puntos en que AM y BM cortan a O ′ , PQ sea de longitud dada.
Solución:
M
A
I
O’
O
B
A’
P
Q
El ángulo PO ′ Q es conocido, pues subtiende un arco dado; por tanto el triángulo PO ′ Q es
conocido. El ángulo AMB es conocido, pues subtiende un arco conocido. Se gira el triángulo O ′ PA
162
alrededor de O ′ , un ángulo PO ′ Q, con lo que O ′ P se sitúa sobre O ′ Q, y O ′ A se sitúa en O ′ A ′ . Las
rectas PA y QA ′ se cortan en I, siendo MIQ igual al ángulo rotado, o a su suplementario. En el
triángulo MIQ se conocen sus tres ángulos, por lo que se conoce el ángulo BQA ′ . Como B y A ′ se
conocen (A ′ se obtiene girando O ′ A alrededor de O ′ un ángulo PO ′ Q), Q está sobre el arco capaz
del ángulo BQA ′ trazado sobre BA ′ . Luego Q viene dado por la intersección de este arco capaz con
O′.
E 88- Dos circunferencias O y O ′ se cortan en A y B. Por A se trazan dos secantes cualesquiera CAD y
C ′ AD ′ . Demostrar que el ángulo formado por CC ′ y DD ′ es constante.
Solución:
M
C’
t
A
O
C
D
t’
O’
D’
B
Sea  el ángulo que forman las dos tangentes t y t ′ en A. Las rectas CC ′ y DD ′ se cortan en M, bajo
el ángulo M. Sea   MCA y   MC ′ A. Se tiene C ′ AD     − , MDA   −  − . Por tanto
M  2 −  −    −  −  −  −   . Luego el ángulo M es constante e igual al ángulo
bajo el cual se cortan los dos círculos.
E 89- Dada una circunferencia O y dos puntos A y B sobre ella, trazar por A una recta que corte a O
′
1 , y que el
en A ′ , y por B otra recta que corte a la recta anterior en B ′ , de modo que AA ′  m
BB
ángulo que forman AA ′ y BB ′ sea dado.
Solución:
A
A’
B’
O’ O
O’’
B
B ′ está sobre el arco capaz O ′ del ángulo dado, trazado sobre AB. El círculo homotético de O, con
centro de homotecia A y razón m, es O ′′ , que corta a O ′ en B ′ .
163
E 90- Sean A y B dos puntos diametralmente opuestos en una circunferencia dada. Por un punto C de
la tangente en A, se traza la tangente CT. La recta BC corta a la circunferencia en E y a la recta AT
en D. Demostrar que los puntos C y D dividen a EB en una razón constante cuando varía C, y que
la distancia de D a AB es media proporcional entre DB y DE.
Solución:
T
C
D
E
A
B
H
AT es la polar de C, luego CDEB  −1, por lo que C y D dividen a EB en una razón
constante. CE  CB . En los triángulos semejantes ACB y HDB, se tiene DB  DH  ED
ED
DB
CB
CA
CE
(por la igualdad anterior). Luego, DB  CB  DH , ED  CE  DH .
CA
CA
2
Por tanto, DB  DE  DH  CB2  CE  DH 2 .
CA
E 91- Se llama cuerda de Apolonio la que está determinada por los puntos fundamentales del haz de
círculos de Apolonio correspondientes a un triángulo ABC. Demostrar que la cuerda pasa por el
centro del círculo circunscrito, y que la polar de uno de los puntos fundamentales (centro
isodinámico) respecto al círculo circunscrito, pasa por el otro centro.
Solución: Sean U y U ′ los centros isógonos del triángulo ABC. Sus inversos son los centros
′
isodinámicos W y W ′ . Se tiene BW  BA  BW ′ . W y W ′ están en el círculo de Apolonio. Este
CW
CA
CW
corta ortogonalmente al círculo circunscrito. Luego los tres círculos de Apolonio se cortan en W y
W ′ , y sus centros están sobre la polar de K, punto de Lemoine. Por tanto, W y W ′ están sobre el
diámetro OK, es decir que la cuerda de Apolonio pasa por el centro del círculo circunscrito. El
punto medio de WW ′ pertenece a OK, teniéndose OW  OW ′  R 2 , es decir que la polar de W
respecto al círculo circunscrito, pasa por W ′ .
E 92- Transformar por polares recíprocas las siguientes propiedades. 1º) El radio y la tangente en un
punto de un círculo, son perpendiculares. 2º) Un ángulo de magnitud constante, cuyo vértice es un
punto fijo de un círculo, corta a este según una cuerda que envuelve a un círculo concéntrico con el
dado.
Solución: El ángulo formado por dos rectas es igual al formado por las rectas que unen sus polos
con el centro del círculo director. 1º) El polo de la tangente es un punto de la cónica polar
recíproca. El polo del radio es un punto de la directriz, tal que por él pasa la tangente en el punto
de la cónica. Luego la propiedad transformada es: El radio vector de un punto de una cónica, y la
recta que pasando por el foco corta a la directriz en el punto de intersección con la tangente de
dicho punto, son perpendiculares. 2º) El vértice se transforma en una tangente. El ángulo de
magnitud constante, tiene ahora su vértice en el foco. El círculo envuelto se transforma en una
cónica de mismo foco y misma directriz. Luego la propiedad transformada es: Un ángulo de
magnitud constante y de vértice un foco de una cónica, corta a una tangente fija en dos puntos A y
B. Por A y B se trazan las tangentes a la cónica. El punto de corte de estas tangentes describe una
cónica que tiene el mismo foco y la misma directriz que la dada.
164
E 93- Demostrar que la polar recíproca de una circunferencia C respecto a otra D, es una cónica.
Solución:
a
b
d
M
A’ D B’
C
m’
n’
N
Sea MN el diámetro de la circunferencia C que pasa por los centros C y D. Los homólogos de las
tangentes a y b, trazadas en M y N, son A ′ y B ′ , polos de a y b respecto a D. Las tangentes en A ′ y
B ′ son las polares de M y N, pero como m ′ y n ′ son paralelas, A ′ B ′ es un diámetro. El centro D es
un foco de la polar recíproca, luego A ′ B ′ es el eje. La directriz d, es la polar del centro C respecto a
D, y la excentricidad es CD . Si D está dentro de C, la cónica es una elipse. Si está en la
CN
circunferencia de centro C, es una parábola. Si es exterior a C, es una hipérbola.
E 94- Se da una circunferencia O y dos puntos A y B conjugados con relación a O. Se unen estos
puntos con uno variable M situado sobre la circunferencia. Las rectas. AM y BM cortan a O en a y
b. Demostrar que Ab y Ba se cortan sobre la circunferencia, y que ab pasa por un punto fijo.
Solución:
N
P
b
B
M
O
a
A
Sea P el punto de intersección de Ab y Ba. El círculo dado pasa por M, a y b, vértices del
cuadrilátero PMab, que es armónico por ser conjugados los puntos A y B, luego es inscriptible y
por tanto Ab y Ba se cortan en P sobre O. Las rectas PM y ab se cortan en N sobre la polar de A,
siendo N el polo de AB.
E 95- Se dan tres circunferencias, C 1 , C 2 , C 3 , que pasan por el punto O. Además de cortarse en este
punto O, las circunferencias C 1 y C 2 se cortan en A 3 , las circunferencias C 1 y C 3 se cortan en A 2 , y
las circunferencias C 2 y C 3 lo hacen en A 1 . Se sabe que la recta A 3 O pasa por el centro de C 3 , y
que la recta A 1 O pasa por el centro de C 1 . Demostrar que la recta A 2 O pasa por el centro de C 2 .
Solución: Invirtiendo con centro en O, las tres circunferencias se transforman en tres rectas que
forman el triángulo B 1 B 2 B 3 , siendo B 3 O perpendicular a B 1 B 2 , y B 1 O perpendicular a B 2 B 3 . Por
tanto, O es el ortocentro de dicho triángulo, por lo que la altura del tercer lado B 1 B 3 es B 2 O.
165
E 96- Desde un punto dado O exterior a una circunferencia dada, se trazan rectas conjugadas que
forman dos haces en involución. Demostrar que los rayos dobles de esta involución, son las
tangentes trazadas desde O.
Solución:
O
M
P
A
N
B
Sean las rectas conjugadas OA y OB que pasan por O (el polo A de OB está en OA, y el polo B de
OA está en OB). Siendo OM y ON las tangentes desde O, la recta MN es la polar de O que pasa por
A y B. Luego MNAB  O, MNAB  −1. Por tanto, todas las rectas conjugadas que pasan por
O son rayos conjugados armónicos con respecto a OM y ON, es decir, forman una involución
cuyos rayos dobles son las tangentes OM y ON.
E 97- Trazar un círculo O que pase por dos puntos dados A y B, y que sea ortogonal a un círculo dado
O′.
Solución: El lugar geométrico de los centros de los círculos que cortan ortogonalmente a dos
dados, es su eje radical. Un punto tiene la consideración de un círculo de radio nulo. Por tanto, el
centro del círculo pedido está en la intersección de la mediatriz de AB con el eje radical de O ′ y de
uno de los puntos A o B.
E 98- En un sector circular de radio a y ángulo 2, se inscribe un círculo y en el mixtilíneo que este
círculo forma con los radios extremos del sector, se inscribe un nuevo círculo. En el nuevo
mixtilíneo que este último círculo forma con aquellos lados, se inscribe un tercer círculo, y así
sucesivamente. Calcular la suma de las áreas de todos los círculos que así se pueden inscribir.
Determinar el radio del círculo equivalente a la suma encontrada. ¿Qué condición debe cumplir ,
para que este círculo equivalente, supuesto concéntrico con el círculo al que pertenece el sector
considerado, sea tangente al mayor de los inscritos, indicando si existe, o no, solución real?
Solución:
A
A
T
O’
R
M
B
U
O
S
N
Q
O
P
166
R 1 , R  a sin  , a  a1 − sin  ,
1
1
a − R1
1  sin 
1  sin 
n−1
a sin 1 − sin 
a sin 1 − sin 
R2 
, ...R n 
. La suma de las áreas es:
1  sin  2
1  sin  n−1
2
2
2
2
sin  2n  a 2 sin 2  
1
 a sin 
∑ S   ∑ R 2  a sin  2 ∑ 11 − sin
2
2

4 sin 
1  sin 
1  sin 
1 − 1 − sin 
1

sin

2
2
 a sin  . Siendo  el radio del círculo equivalente a la suma de las áreas,  2  a sin  ,
4
4
a sin 
luego  
. Para que este círculo sea tangente al mayor de los inscritos, debe cumplirse
2
a sin 
 a − 2a sin  , es decir que sin 3  − 2 sin 2   9 sin  − 4  0. Como para sin   0,
2
1  sin 
este polinomio toma valores negativos, y para sin   1 el valor es positivo, siempre hay solución
real.
  AOB, a  OA, R 1  O ′ A  O ′ B, sin  
E 99- Se dan dos círculos O y O ′ , y se traza otro M variable, tangente a O en I, y ortogonal a
O ′  en H y K. Sea P la intersección de HK e IO ′ , y N el segundo punto de intersección de IO ′ con
M. Demostrar que M es tangente a un segundo círculo fijo, y que MN y MP cortan a OO ′ en
dos puntos fijos.
Nota: En este problema, las circunferencias de centros O, O ′ y M, se designan por O, O ′  y M.
El elemento inverso de uno dado, lleva el símbolo de este con el subíndice 1.
Solución:
(O)1
O’1
H
M
I1
H1
(O’)1
I
P
O
N
X Y
K
O’
(O)2
N1
(M)1
S
(O’I)1
Invirtiendo con polo un punto cualquiera S de O ′ , se tiene que M se transforma en un círculo
M 1 (figura de la derecha), cuyo centro está en la recta O ′  1 inversa de O ′ , y que es tangente a
la circunferencia O 1 , inversa de O. Al ser M 1 simétrica respecto a O ′  1 , es tangente al
círculo O 2 simétrico de O 1 respecto a O ′  1 . Al deshacer la inversión, el inverso de O 2 sigue
siendo un círculo fijo al que es tangente M. El círculo inverso de la recta O ′ I es O ′ I 1 , que pasa
por I 1 (inverso de I), por O ′1 (inverso del centro de O ′ , que es simétrico de S respecto a O ′  1 ) y por
S. Luego N 1 (inverso de N) recorre la circunferencia O 2 . Al deshacer la inversión, N recorre el
círculo fijo N (inverso de O 2 ), al que es tangente M, estando su centro Y sobre OO ′ y
alineado con MN, pues los círculos M y N son tangentes. Luego el punto Y, intersección de MN
y OO ′ , es fijo. Siendo HK la polar de O ′ respecto a M, se tiene sobre IO ′ que INPO ′   −1.
Proyectando desde M y cortando por OO ′ , se tiene M, INPO ′  OYXO ′   −1. Como O, Y y
O ′ son fijos, también lo es X. Luego MN y MP cortan a OO ′ en dos puntos fijos Y y X.
167
E 100- Se dan sobre una recta cuatro puntos A, B, A ′ y B ′ , siendo AB  A ′ B ′ . 1º) Demostrar que A ′ B ′
es homotético de AB, con una cierta homotecia de la que se pide el centro O y la razón. 2º) Sea C
un círculo que pasa por A y B. Sea C ′ su homotético. Demostrar que C ′ es el inverso de C con polo
O, en una inversión independiente de C, y hallar los puntos comunes a C y C ′ . 3º) Estudiar cómo
varía el eje radical de C y C ′ , y hallar el lugar geométrico de la intersección de dicho eje con la
línea de los centros de C y C ′ . 4º) Por O se trazan las tangentes a C, y sean T y T 1 los puntos de
tangencia con C, y T ′ y T ′1 los de C ′ . Los cuatro puntos de tangencia son concíclicos. Demostrar
que este círculo pasa por dos puntos fijos al variar C, y hallar el lugar geométrico de la intersección
de TT ′1 y T 1 T ′ .
Solución:
T’
B’
T
A
O
P
M C
B
Q
H
A’
X
N
C’
T1
T’1
′ ′
1º) Se puede considerar una homotecia de razón A B y centro un punto O tal que
AB
OA ′  A ′ B ′ . Ahora bien, considerando A ′ homólogo de B, se tendría otra homotecia de centro
OA
AB ′ ′
O 1 y razón −A B . Para construir O, basta trazar los círculos de diámetros AB y A ′ B ′ , y sus
AB
tangentes exteriores cortan a la recta ABA ′ B ′ en O. 2º) Tiene que suceder que
′
′
OA  OB ′  OB  OA ′  k. En efecto, OA  OB , con lo que se demuestra que es independiente
OA
OB
de C. Sea M un punto común a C y C ′ , se tiene que OM  OM  k, OM  k . Luego el lugar
geométrico de M es un círculo de centro O y radio la raíz cuadrada de la potencia de la inversión.
3º) Existe el punto H en OA, tal que HA  HB  HA ′  HB ′ . Luego el eje radical pasa por H y varía
pivotando alrededor de él. Como el eje radical es perpendicular a la línea de los centros, el lugar
geométrico de su intersección con esta, es el círculo de diámetro OH. 4º) Los ángulos TT ′ T ′1 y
TT 1 T ′1 son suplementarios, pues OT 1 T  OTT 1  OT ′ T ′1 , luego el cuadrilátero TT ′ T 1 T ′1 es
inscriptible. Su círculo circunscrito corta a OA en a y b. Se tiene OT  OT ′  Oa  Ob  k, y
′ ′
además Ob  A B , luego a y b son fijos. Siendo X la intersección de TT ′1 y T 1 T ′ , se cumple que
AB
Oa
′ ′
XN  T 1 T  A ′ B ′ . Luego M y N describen círculos de diámetros OP y OQ, y X describe el
TT 1
XM
AB
′ ′
círculo de diámetro OR, siendo R un punto tal que RP  A B .
AB
RQ
E 101- Demostrar que: 1º) Los ejes radicales de los círculos de Apolonio y del círculo circunscrito de
un triángulo dado ABC, son simétricos de las medianas respecto de las bisectrices interiores. 2º) El
inverso del radio del círculo de Apolonio relativo al lado mediano, es igual a la suma de los
inversos de los otros dos radios.
Solución:
A
ia
B
168
Ia
C
1º) Sean W y W ′ los centros isodinámicos del ABC, que son inversos de sus centros isógonos U y
′
U ′ . Se sabe que BW  BA  BW ′ , luego W y W ′ pertenecen al círculo (círculo de Apolonio)
CW
CA
CW
que tiene por diámetro la distancia I a i a entre los pies de las bisectrices interior y exterior del
ángulo opuesto, y que corta ortogonalmente al círculo circunscrito al ABC. Luego los tres círculos
de Apolonio se cortan en los centros isodinámicos W y W ′ , y sus centros están sobre la polar de K,
punto de Lemoine. Los ejes radicales de los círculos de Apolonio respecto al círculo circunscrito,
son las polares de sus centros con relación al círculo circunscrito al ABC, que son las simedianas
AK, BK y CK, es decir que son simétricos de las medianas respecto de las bisectrices interiores. 2º)
El radio del círculo de Apolonio AI a i a es I a i a . Ahora bien, de BI a  CI a y de Bi a  Ci a , se
2
BA
CA
BA
CA
tiene BI a  ac , Bi a  ac . Suponiendo a  b  c (BC  a, CA  b, AB  c),
bc
b−c
2
2
1  1
 2abc
, y el inverso del radio es b − c . Por tanto, sustituyendo
I a i a  ac
2
2
abc
bc
b−c
b −c
2  2  2 , se tiene
este valor y sus análogos, en la expresión
Ibib
Iaia
Icic
a 2 − c 2  b 2 − c 2  a 2 − b 2 , luego el inverso del radio del círculo de Apolonio relativo al lado
abc
abc
abc
mediano, es igual a la suma de los inversos de los otros dos radios.
169
170
Sección F - CÓNICAS
F 1- Construir una cónica conociendo el círculo principal y dos tangentes.
Solución:
N
B
M
F
A
F’
O
M’
A’
B’
N’
Sean M, N, M ′ y N ′ , los puntos en los que las tangentes cortan al círculo principal. Las
perpendiculares por estos puntos a las tangentes, se cortan en los focos F y F ′ , siendo FF ′  2c. La
recta FF ′ corta al círculo principal en los vértices A y A ′ , siendo AA ′  2a, el eje mayor. Con
centro en F y radio a, se corta a la mediatriz de FF ′ en B y B ′ , siendo BB ′  2b, el eje menor. Si
a  c, la cónica es una elipse; si a  c, la cónica es una hipérbola.
F 2- Construir una cónica conociendo el centro O, dos puntos P 1 y P 2 , y la tangente t en P 1 .
Solución:
b
N
m’
V
m
P1
M
O
U
a
t
n’
P2
n
Se traza por O la recta n ′ que pasa por el punto medio de P 1 P 2 . El diámetro conjugado de n ′ es m ′ ,
paralela a P 1 P 2 trazada por O. El conjugado del diámetro m  OP 1 , es n, paralela a t trazada por
O. Los ejes de la cónica son los rayos dobles de la involución formada por los dos pares de
diámetros conjugados dibujados. Uniendo el punto de Frégier de la involución con O, se obtiene en
posición un eje, siendo el otro su perpendicular por O. Para determinar la magnitud de los ejes, se
proyecta P 1 sobre los ejes en U y V, y como M y N (puntos de corte de t con los ejes) son los
respectivos polos de P 1 U y P 1 V, se tiene que OA 2  OU  OM y OB 2  OV  ON, de donde se
obtienen las magnitudes de los semiejes, a  OU  OM y b  OV  ON .
171
F 3- Construir una parábola conociendo el eje E, una tangente t, y el parámetro p (distancia del foco a
la directriz).
Solución:
t
M
N
O
V
F
M’
E
P
La subnormal de una parábola, es constante e igual a p, por lo que el triángulo MM ′ P se puede
construir, pues M ′ P  p, y el ángulo MPM ′ es conocido, pues MP es perpendicular a t, y MM ′ lo
es al eje E. Se traza una paralela a E a la distancia MM ′ , que corta a t en el punto de tangencia M.
Siendo N la intersección de E y t, el foco F es el punto medio de NP. El vértice V corresponde a la
p
distancia VF  , y la directriz es la perpendicular a E trazada por O, siendo FO  p.
2
F 4- Construir una parábola conociendo tres tangentes y el punto de contacto de una de ellas.
Solución: Sea T el punto de contacto de la tangente t 1 . Se trazan dos círculos que pasando por T
sean tangentes cada uno de ellos, a una de las otras dos tangentes. El segundo punto de
intersección de estos círculos, es el foco de la parábola.
F 5- Determinar analítica y gráficamente el lugar geométrico de los vértices de los ángulos rectos
circunscritos a una cónica.
Solución:
F1
P
F1
M
F2
P
T
F
T’
F
F2
M’
F’
a) Elipse: La ecuación x 21 − a 2 m 2 − 2x 1 y 1 m  y 21 − b 2   0, da los coeficientes angulares de las
y2 − b2
 −1. Luego el lugar
tangentes trazadas desde un punto a una elipse. Debe cumplirse que 12
x1 − a2
pedido es la circunferencia x 2  y 2  a 2  b 2 . En la figura de la izquierda sean PT y PT ′ las
tangentes perpendiculares entre sí, trazadas desde P, siendo T y T ′ los puntos de tangencia. Los
simétricos del foco F respecto a las dos tangentes, son F 1 y F 2 . El ángulo F 1 FF 2 es recto y está
inscrito en una circunferencia de centro P, cuyo diámetro es F 1 F 2 . El lugar geométrico de P es el
descrito por el punto medio de la cuerda F 1 F 2 en la circunferencia focal, según un ángulo recto que
gira alrededor del punto fijo F. Como PF 2  PF ′2  PF 21  PF ′2  PF 22  PF 2  F ′ F 21  4a 2 , es
constante, el lugar pedido es una circunferencia concéntrica con la elipse y cuyo radio es a 2  b 2 .
Esta circunferencia se denomina ortóptica o de Monge. b) Hipérbola: Los razonamientos son
similares, siendo la ecuación de los coeficientes angulares x 21 − a 2 m 2 − 2x 1 y 1 m  y 21  b 2   0,
y la ecuación del lugar es x 2  y 2  a 2 − b 2 , siendo el radio de esta circunferencia a 2 − b 2 . Si la
hipérbola es equilátera, a  b, y la circunferencia degenera en un punto. c) Parábola; La ecuación
172
de los coeficientes angulares de las tangentes, es 2x 1 m 2 − 2y 1 m  p  0 .Luego el lugar pedido es
−p
la recta x 
, es decir, la directriz. En la figura de la derecha, sean PM y PM ′ , las tangentes
2
perpendiculares entre sí, trazadas desde P. Las rectas que unen el foco F con sus simétricos F 1 y
F 2 respecto a las dos tangentes, son perpendiculares. Luego F 1 y F 2 tienen que ser extremos de un
diámetro de la circunferencia de centro P. Como F 1 y F 2 están en la directriz, los vértices P del
ángulo lo están también. Luego el lugar pedido es la directriz (corresponde al círculo ortóptico
cuando su centro es impropio).
y2
 1. La tangente en un punto M de la misma, corta a OX y OY en  y .
a
b2
La normal en M, los corta en  ′ y  ′ . Sea P la parábola tangente en O a OX, y tangente además a
las paralelas a la tangente y a la normal trazadas, respectivamente, por  y  ′ . Sea P ′  la parábola
análogamente obtenida, reemplazando OX por OY. Demostrar que las parábolas P y P ′  son
homofocales y coaxiales, y construir geométricamente el eje y foco comunes.
2
F 6- Se da la elipse x 2 
Solución:
Y
β
M
α’
O
⋅
e
α
X
F
β’
El foco común de las parábolas P y P ′  es el punto de intersección F de las circunferencias
circunscritas a los triángulos O y O ′  ′ , de acuerdo con la construcción del foco de una
parábola de la que se conocen tres tangentes y el punto de contacto de una de ellas. La dirección
común del eje de estas parábolas es la simétrica de la recta OF respecto a OX, o bien respecto a
OY.
F 7- Demostrar que si una parábola es conjugada respecto a un triángulo, el foco de la parábola está
situado sobre el círculo de los nueve puntos y la directriz pasa por el centro del círculo
circunscrito.
Solución:
A
b
c
B
a
C
Se considera una parábola conjugada respecto al triángulo ABC. Sea abc el triángulo mediano del
ABC. Puesto que BC es la polar de A, bc es tangente a la parábola, y lo mismo para ca y ab. Luego
la parábola está inscrita en el triángulo abc. Por tanto su foco está sobre el círculo circunscrito al
abc, que es el círculo de los nueve puntos del ABC. La directriz pasa por el ortocentro del abc, que
es el circuncentro del ABC.
173
F 8- Se da un cono cuya base es una elipse, siendo uno de sus focos el pie de la altura del cono. Hallar
gráficamente el foco y la directriz de la proyección sobre la base de una sección plana cualquiera.
Encontrar la condición para que esta sección sea un círculo. Estudiar el caso en el que el cono es
de revolución y su base una circunferencia.
Solución:
V
L
E
F
Si dos figuras perspectivas se proyectan desde un punto P sobre un plano, sus proyecciones son
homológicas en una homología de centro la proyección del centro perspectivo y eje la proyección
de la recta intersección de los planos de las dos figuras. Luego si P es el punto impropio de la
dirección FV, F será el centro, E el eje, y L la recta límite. Al ser F centro de homología y foco de
la cónica base, al considerar la involución rectangular, será foco de la cónica proyección. Su
directriz será la homológica de la directriz de la cónica base, al conservarse polo y polar. Cuando
la recta límite coincide con la directriz de la cónica base, la proyección es un círculo, es decir
cuando la sección es paralela al plano determinado por dicha directriz y V. En el caso de ser un
cono de revolución, el centro de la base seguirá siendo el foco, y la directriz la intersección del
plano de la base con el plano paralelo por V al plano de la sección, es decir, la recta límite de la
homología.
F 9- Hallar un punto M tal que la suma de sus distancias a tres puntos dados A, B y C, sea mínima.
Solución:
x
y
A
M
z
B
C
Si se deja MC  z  k, constante, el máximo o mínimo será el de la función MA  MB. Para
hallarlo, se aplica el teorema de Rolle, de la siguiente forma. La elipse x  y  k ′ (constante) corta
a la circunferencia z  k en dos puntos, entre los que está el mínimo buscado, y este se halla
cuando elipse y circunferencia sean tangentes, es decir cuando CM es la bisectriz del ángulo AMB.
Análogamente, BM será la bisectriz de AMC, y AM la de BMC. Por tanto, M es el punto de
intersección de los arcos capaces de 120º levantados sobre AB, BC y CA.
F 10- Se dan tres puntos alineados O, C y D, y dos puntos M y M ′ variables, simétricos respecto a O.
Las rectas MC y M ′ D se cortan en I. La paralela a MM ′ trazada por I, corta a OC en E. 1º)
Comparar los cocientes EC y OC , deducir que E es fijo y que los cocientes DI ′ y CI son
ED
OD
CM
DM
constantes. 2º) Seguidamente se consideran tres puntos fijos alineados OAB, estando A entre O y B,
de forma que OA  2a, AB  3a, y se considera el círculo  de centro O y radio 6a. Demostrar
que cuando M describe , el eje radical de  y del círculo  circunscrito al triángulo OAM, pasa
por un punto fijo A ′ que se definirá. 3º) Sean M y M ′ dos puntos diametralmente opuestos de .
Los ejes radicales de  y , y de  y del círculo circunscrito al triángulo OM ′ B, se cortan en P.
Hallar el lugar geométrico de P cuando M y M ′ describen el círculo . 4º) Hallar el lugar
geométrico del punto medio de PM, y demostrar que la mediatriz de PM es tangente a una
hipérbola de la que se precisarán sus elementos geométricos, y se construirá el punto de tangencia
de la mediatriz y la hipérbola.
174
Solución:
M’
M
O
Ω
C E
R
D
A
O
F-A’
B’
B
S
I
P
M’
M1
M
Φ
1º) En la figura de la izquierda, se tiene: IE  EC  IC , IE ′  ED  ID
. Siendo
OM
OC
CM
OD
OM
M′D
−EC
EC
−OC
ED
OM  −OM ′ , se cumple que

, es decir

 q, constante. Luego el punto
ED
OC
OD
OD
E es fijo. Por tanto DI ′  ED  m, constante, y CI  EC  n, constante.
OD
CM
OC
DM
2º) La recta OAB corta a  en R y S. El eje radical de  y  corta a OAB en F, teniéndose
FO  FA  FR  FS  FM  FM 1 . Luego F es un punto fijo ya que FO  FA  FR  FS, constante.
Es decir, que todos los ejes radicales pasan por F, punto A ′ del enunciado. Siendo OA ′  x, se
tiene xx − 2a  x  6ax − 6a, x  OA ′  18a. Similarmente se obtiene el punto B ′ , siendo
OB ′  36a  7, 2a. 3º) Asimilando a las letras B ′ , A ′ y P, las C, D e I, del primer punto, se tiene
5
′
que A′ P′  m, constante, luego P describe un círculo homotético de , con centro de homotecia
AM
A ′ y razón m positiva (o lo que es lo mismo, con centro de homotecia B ′ y razón n negativa). 4º)
A′Q
Por ser Q el punto medio de PM, ′
 p, constante, luego Q describe un círculo homotético de
AM
 con centro de homotecia A ′ y razón p. Como el lugar geométrico de las proyecciones de los
focos de una hipérbola sobre sus tangentes, es la circunferencia descrita sobre el eje transverso
como diámetro, la mediatriz de PM envuelve una hipérbola de foco A ′ y cuyo eje transverso es el
diámetro del círculo descrito por Q. Dicha hipérbola se puede construir por conocerse su foco y el
círculo principal. Se une A ′ con un punto a del círculo director correspondiente al otro foco A ′1 , se
traza la perpendicular en el punto medio de A ′ a, y esta perpendicular encuentra a A ′1 a en un punto
M de la hipérbola, con lo que está construido el punto de tangencia de dicha mediatriz con la
hipérbola.
F 11- Se da un triángulo ABC, dos puntos P y Q, y las cevianas correspondientes a estos dos puntos,
que determinan sobre los lados, los puntos A 1 , A 2 , B 1 , B 2 , C 1 y C 2 . Demostrar que estos seis
puntos están sobre una cónica.
Solución
A
C2
B2
Q
B1
C1
P
B
A1
A2
C
Por ser cevianas, se tiene A 1 , C 1 C 2 B 2 B 1  A 2 , C 1 C 2 B 2 B 1 . Si la cónica que pasa por
C 1 C 2 B 1 B 2 A 2 , corta a BC en otro punto A ′ distinto de A 1 , se tendría
A ′ , C 1 C 2 B 2 B 1  A 2 , C 1 C 2 B 2 B 1 , luego por la primera igualdad, A ′ ≡ A 1
175
F 12- Hallar el lugar geométrico de los centros de las cónicas tangentes a cuatro rectas dadas.
Solución:
A
a
B
b
b’
A’
B’
a’
Las cónicas forman un haz tangencial, en el que los polos de una recta r respecto de las cónicas del
haz, están sobre una recta r ′ . A las rectas r y r ′ se les llama asociadas. Cuando r es la recta
impropia, sus polos son los centros de las cónicas del haz, que están sobre una recta, llamada recta
de Newton. Sean ABA ′ B ′ los vértices del cuadrilátero circunscrito al haz. Cortando por AA ′ la
involución aa ′  bb ′ , como la recta impropia corta a AA ′ en el punto impropio A  , la recta de
Newton pasará por el punto medio de AA ′ . El mismo razonamiento para BB ′ . Luego dicha recta,
lugar de los centros de las cónicas, pasa por los puntos medios de las diagonales.
F 13- Por un punto de una cónica, se trazan paralelas a un sistema de diámetros conjugados de otra
cónica. Demostrar que la cuerda determinada por estas rectas, pasa por un punto fijo.
Solución:
La ecuación que da los coeficientes angulares de los diámetros conjugados, es
a 22 mm ′  a 12 m  m ′   a 11  0, que es la ecuación de una involución. Luego al trazar las
paralelas por un punto de otra cónica, se tiene un haz involutivo, por lo que las cuerdas
determinadas pasan por el punto de Frégier de dicha involución.
F 14- Si por un punto P de una cónica, se trazan pares de rectas PQ, PR que están igualmente
inclinadas respecto a una recta r dada, las rectas QR concurren en un punto.
Solución: Trazando PH perpendicular a r, las rectas PQ y PR, son simétricas respecto a PH, es
decir, forman una involución. Luego todas las rectas QR pasan por el punto de Frégier de dicha
involución.
F 15- Hallar el lugar geométrico de los puntos P, desde los que se proyecta un cuadrivértice ABCD
según un haz de razón constante.
Solución: Aplicada una homología adecuada, el cuadrivértice se transforma en un cuadrilátero
inscriptible. El círculo circunscrito es el lugar geométrico de los puntos P. Deshaciendo la
homología, como las razones dobles no varían, la cónica homológica del círculo, es el lugar
pedido, o sea una cónica circunscrita al cuadrivértice dado. El lugar geométrico completo es el haz
de cónicas circunscritas.
F 16- Una cónica está determinada por cinco tangentes. Trazar una sexta tangente y hallar su punto de
contacto.
Solución: Sean las tangentes conocidas t 1 , t 2 , AA ′ , BB ′ y CC ′ . Tomando t 1 y t 2 , por ejemplo,
como bases, se forman dos series proyectivas con las intersecciones con las otras tres tangentes. El
eje perspectivo de estos haces, corta a las dos bases en sus puntos de tangencia. Sea P un punto de
una de las bases. Se une con A ′ . La recta PA ′ corta al eje perspectivo en D. La recta DA corta a t 2
en P ′ . La recta PP ′ es la tangente en el punto de tangencia P.
F 17- Una cónica está determinada por cinco tangentes. Trazar las tangentes a la cónica desde un
punto dado.
Solución: Sean las tangentes conocidas t 1 , t 2 , AA ′ , BB ′ y CC ′ . Se forman sobre t 1 y t 2 , dos series
proyectivas ABC y A ′ B ′ C ′ . Uniendo el punto P dado, con estos puntos, se tienen dos haces
perspectivos. Los rayos dobles de estos dos haces concéntricos, son las tangentes pedidas.
176
F 18- Una cónica está determinada por cuatro tangentes y un punto de tangencia. Trazar una quinta
tangente a la cónica, paralela a una dirección dada.
Solución:
A
C
t1
t3
B
t4
D’
E
C’
D∞
t2
d (D∞)
Sean t 1 , t 2 , t 3 y t 4 las tangentes dadas. Sea AB el eje perspectivo correspondiente a la base t 1 y a t 2 .
Y sea d la dirección dada (D  ). Se trata de hallar en la tangente t 2 , el homólogo D ′ de D  . Como
C ′ D  y D ′ C se cortan en el eje perspectivo (punto E), queda determinado D ′ (intersección de CE
con t 2 ). La paralela a d desde D ′ , es la tangente pedida.
F 19- Una cónica está determinada por cinco puntos. Hallar la clase de la cónica.
Solución: Siendo A, B, C, D y E, los puntos dados, se toman como vértices los puntos A y B,
teniéndose los haces A, CDE y B, CDE . Se traslada B sobre A, con lo que se tienen dos haces
perspectivos concéntricos, cuyos rayos dobles se determinan. Si hay dos rayos dobles, la cónica es
una hipérbola; si hay un solo rayo doble, la cónica es una parábola; si los rayos dobles son
imaginarios, la cónica es una elipse.
F 20- Hallar los ejes de una cónica determinada por dos diámetros conjugados.
Solución: Sean AB y CD los dos diámetros conjugados que se cortan en su punto medio O. Por A
y B se trazan las paralelas a CD, y por C y D las paralelas a AB, obteniéndose el paralelogramo de
vértices E, F, G y H. Sus diagonales EG y FH, son diámetros conjugados de la cónica. Por tanto,
se tienen dos haces en involución, de vértice O. Sus rayos homólogos perpendiculares son los ejes
de la cónica. Una vez determinados los ejes en posición, para obtener su magnitud, se procede de
la siguiente forma.
b
Q
H
O
T
P
G
a
t
Sean a y b los ejes, y t una tangente a la cónica, siendo T el punto de tangencia. La tangente corta
a los ejes en P y Q, y son G y H las proyecciones de T sobre los ejes. Q es el polo de TH, y P el de
TG. Por tanto, siendo A y A ′ , B y B ′ , los vértices, se tiene OA 2  OG  OP y OB 2  OH  OQ, con
lo que se obtienen los ejes en magnitud.
F 21- Se dan cinco puntos A, B, C, D y E, en una cónica. Se traza una recta que pasa por A. Hallar su
segundo punto de intersección con la cónica.
Solución: Una transversal corta a los lados opuestos de un cuadrilátero inscrito en una cónica, y a
esta, en tres pares de puntos que están en involución (Desargues). Siendo la transversal, la recta
dada, se halla sobre ella el punto A ′ , homólogo de A, que será el segundo punto de intersección de
la recta dada.
177
F 22- Se da un sistema de cónicas que pasan por cuatro puntos A, B, C y D. Demostrar que el rayo
conjugado armónico de AC con relación a AB y AD, corta a las cónicas y a la tangente en C,
formando una involución.
Solución
C
B
D
F
E
H
A
G
Sea AE el conjugado armónico de AC con relación a AB y AD. Sea CF la tangente en C. Siendo H
el punto en que AE corta a la cónica, se tiene A, BDCH  C, BDCH  −1. Por tanto,
cortando por AE se tiene GEFH  −1, por lo que F y H son conjugados en una involución, en la
que G y E son dos puntos dobles.
F 23- Dibujar una cónica de la que se conoce un punto A y las polares m y n de dos puntos dados B y
C, respectivamente.
Solución:
B
n
B’
D
m
C’
E
C
A
En la recta AB se encuentra un nuevo punto de la cónica, que será el conjugado de A con relación a
BD (D es la intersección de AB con m, polar de B). Siendo E la intersección de AC con n, polar de
C, habrá un nuevo punto en la cónica, que será el conjugado armónico de A con relación a EC. La
recta BC, en sus intersecciones con m y n, da los puntos B ′ y C ′ . Por tanto, los puntos en que BC
corta a la cónica, son conjugados armónicos con relación a BB ′ y CC ′ , luego serán los puntos
dobles de la involución determinada por BB ′ y CC ′ .
F 24- Hallar el punto de contacto de la recta t, tangente a una cónica, de la que se conocen cuatro
puntos A, B, C y D (t no pasa por ninguno de estos cuatro puntos).
Solución:
c’
A
b’
c
r
b
a’
B
m
a
t
D C m’
n’ n
Aplicando el teorema de Desargues a una transversal que corta a los lados opuestos de un
cuadrilátero inscrito en una cónica, en los puntos a, a ′ , b y b ′ , y a la cónica en c y c ′ , se tiene:
A, cDc ′ B  C, cDc ′ B  cac ′ b ′   cbc ′ a ′   c ′ a ′ cb. Por tanto, los pares de puntos aa ′ ,
bb ′ y cc ′ , forman una involución. Al ser la transversal una tangente, los puntos c y c ′ se confunden,
y son los puntos dobles de la involución. Por tanto, en la tangente t, los puntos dobles de la
involución determinada por mm ′ y nn ′ , son los puntos de tangencia.
178
F 25- Dados dos círculos, uno interior al otro, hallar el lugar geométrico de los centros de los círculos
tangentes a aquellos.
Solución:
O2
C
O1
Sean O 1 y O 2 los círculos dados (O 2 interior al O 1 ), de radios r 1 y r 2 , y sea C el círculo de radio
R, tangente a aquellos. Se tiene: O 2 C  R  r 2 , O 1 C  r 1 − R. Luego O 2 C  O 1 C  r 1  r 2 . Por
tanto, C describe una elipse de focos O 1 y O 2 , midiendo su eje mayor r 1  r 2 .
Nota: Ver el problema F 47, para el caso en que O 1 y O 2 son exteriores entre sí.
F 26- Se conoce un círculo focal de una elipse y una de sus tangentes. Hallar el lugar geométrico del
otro foco.
Solución:
t
N
F2
F’2
F1
M
Sea F 1 el círculo focal y t la tangente, que corta a F 1 en M y N. Siendo F 2 el segundo foco, su
simétrico F ′2 respecto a t, se encuentra en el círculo F 1 . Luego F 2 está en el arco MF 2 N, simétrico
del MF ′2 N respecto a t. El lugar geométrico de F 2 es dicho arco MF 2 N.
F 27- Determinar el eje y el centro de una elipse de la que se conocen sus focos F 1 y F 2 , y un punto P
de ella.
Solución: Siendo F 1 P  F 2 P  2a, se conoce el eje y su centro O.
F 28- Hallar el lugar geométrico de los centros O de las elipses que tienen un foco común conocido F,
y son tangentes a dos rectas dadas t 1 y t 2 .
Solución:
t1
F’
F
m
F’’
t2
Se proyecta F sobre t 1 y t 2 , obteniéndose F ′ y F ′′ . La mediatriz m de F ′ F ′′ es el lugar geométrico
de O.
179
F 29- Demostrar que un punto P de un segmento AB de longitud constante, cuyos extremos se deslizan
sobre dos rectas perpendiculares, describe una elipse.
Solución:
Y
B
P
C
A
X
O
P’
r
Sean OX y OY las rectas perpendiculares. Se traza por O la paralela r a AB. Sea P ′ el punto en que
la perpendicular PC a OX corta a r. Los triángulos PAC y P ′ OC son semejantes, luego
CP  PA . Por tanto P describe la elipse afín a la circunferencia de centro O y radio OP ′ , y
CP ′
P′O
cuyos ejes son OP ′  BP y PA.
F 30- Un conjunto de elipses tienen el foco F común, son tangentes a la recta t, y su eje mayor tiene el
mismo tamaño 2a. Hallar el lugar geométrico de su centro O.
Solución:
t
F’
F
Sea F ′ la proyección de F sobre t. El centro O estará sobre la circunferencia de centro F ′ y radio a
(hay que tener en cuenta que OF  OF ′ ).
F 31- Demostrar que los cuatro radios vectores que unen los focos F 1 y F 2 de una elipse con dos de
sus puntos A y B, son tangentes a un mismo círculo.
Solución
t1
A
F1
T
F2
B
t2
Sean t 1 y t 2 las tangentes en A y B, que se cortan en T. La recta TF 1 es bisectriz de ATB, por lo que
T equidista de F 1 A y F 1 B. También equidista de F 2 A y F 2 B. Por tanto, un círculo de centro T,
tangente a uno cualquiera de los radios vectores, lo será también a los otros tres (ver F 57).
F 32- Se dan dos elipses iguales. Una es fija, siendo sus focos F 1 y F 2 . La segunda es móvil,
moviéndose rodando sobre la fija. Hallar el lugar geométrico de F ′1 y F ′2 , focos de la móvil.
Solución: En cualquier posición, F ′1 es simétrico de F 1 en relación a la tangente común. Como
también F ′2 lo es de F 2 . Luego el lugar geométrico de F ′1 es el círculo focal correspondiente a F 1 , y
el de F ′2 el correspondiente a F 2 .
F 33- Se da una circunferencia de diámetro AB. Se trazan las tangentes en A y B. La tangente en un
punto móvil P de la circunferencia, corta en C y D a las tangentes en A y B. Hallar el lugar
geométrico de M, intersección de AD y CB.
180
Solución:
D
P
C
M
A
B
N O
En los triángulos semejantes AMC y BMD, se tiene DB  DM , y como DB  DP y CA  CP,
CA
AM
DP  DM . Luego PM es paralela a las bases del trapecio ACDB. Como la paralela a las bases
CP
AM
de un trapecio, trazada por el punto de intersección de las diagonales, queda dividida por estas en
dos partes iguales, se tiene que PM  MN. Por tanto M describe una elipse afín a la circunferencia
dada, con eje mayor AB, y eje menor la mitad de AB, puesto que la razón de la afinidad es
MN  1 .
NP
2
F 34- En un paralelogramo ABCD, el vértice A es fijo, así como la bisectriz del ángulo A. Hallar el
lugar geométrico del vértice C.
Solución:
D
C
E
A
B
Prolongando la bisectriz hasta su intersección E con DC, se tiene que el triángulo ADE es
isósceles, luego DE es constante, al serlo AD y DC. Como D describe una circunferencia de centro
A y radio AD, C describe una elipse afín de ejes 2AD  DC y 2AD − DC.
F 35- Se dan en una elipse dos tangentes AB y AC, estando A sobre el eje menor, siendo B y C los
puntos de tangencia, dándose también la directriz d. Demostrar que las proyecciones del foco F
correspondiente a d, sobre AB, AC, BC y d, están en línea recta.
Solución:
A
d
α
B
γ
C
β
D
δ
F
E
La circunferencia circunscrita a ABC pasa por F, por lo que las tres proyecciones de F sobre sus
tres lados, están en línea recta. La circunferencia que pasa por C, D (punto de corte de AC con d) y
E (punto de corte de AC con d), pasa por F, al ser rectos los ángulos en D y en F. Por tanto, el
cuadrilátero FCDE es inscriptible. Luego las proyecciones de F sobre los lados del triángulo CDE,
están alineadas, por lo que lo están las proyecciones de F sobre las cuatro rectas del enunciado.
181
F 36- Hallar el lugar geométrico del ortocentro H de los triángulos formados por los vértices A y B, y
un punto cualquiera P, de una elipse dada.
Solución:
H
P
A
B
M
Los triángulos MHB y PMA son semejantes, luego MH  MP  MA  MB. En la elipse se cumple
2
PM 2  a 2  b 2  MA  MB, siendo a y b los semiejes de la elipse. Luego MH  a 2 . Por tanto H
MP
b
2
a
describe una elipse afín a la dada, con eje de afinidad AB y razón 2 .
b
F 37- Hallar el lugar geométrico del centro O de una elipse dada que se desliza tangencialmente a los
dos catetos AB y BC de un ángulo recto.
Solución:
A
N
Q
O
B
P
C
M
Los vértices de los ángulos rectos circunscritos a una elipse describen la circunferencia de radio
a 2  b 2 y centro O (problema F5). Luego O describe un arco de círculo de centro B y radio
a 2  b 2 . En efecto, siendo P y Q las proyecciones de O sobre los catetos, se tiene
OP 2  OQ 2  a 2  b 2 .
F 38- Trazar las tangentes comunes a dos elipses que tienen un foco común.
Solución: Los círculos focales de los focos no comunes se cortan en los puntos que corresponden
a los simétricos del foco común con relación a las tangentes comunes pedidas.
F 39- Demostrar que si dos lados de un triángulo inscrito en un círculo focal de una elipse, son
tangentes a la misma, el tercer lado también es tangente a la elipse dada.
Solución:
FC
A
FB
F
B
C
FA
Los punto simétricos del ortocentro de un triángulo, con relación a sus lados, se encuentran sobre
su circunferencia circunscrita. Siendo F C y F B los simétricos de F respecto a AB y AC, que están
sobre el círculo focal, F tiene que ser el ortocentro del triángulo ABC. Por tanto F A es simétrico de
F respecto a BC, por lo que BC es tangente a la elipse.
182
F 40- Hallar la intersección de la recta r ′ con la elipse polar recíproca de la circunferencia O ′ (directa) respecto a
la circunferencia O (directriz).
Solución:
r’
A
A’
t1
O’
O
P’
B’
B
t2
La recta r ′ corta a O en A y B. Las tangentes a O en A y B, determinan P ′ , polo de r ′ respecto a O. Desde P ′
se trazan las tangentes t 1 y t 2 a O ′ . Los polos de t 1 y t 2 respecto a O, son los puntos A ′ y B ′ de intersección
de r ′ con la elipse polar recíproca de O ′ .
F 41- Dibujar la elipse de la que se conocen los focos F y F ′ , y la relación de sus semiejes b
a.
Solución:
b
B
F’ f’ a’
a f F
b’
Se traza una elipse cuyos semiejes cumplen la relación dada. Sean sus ejes aa ′ y bb ′ , y sus focos ff ′ .
La elipse buscada es homotética con la anterior. Se traza FB paralela a fb, obteniéndose el vértice
B, con lo que se conocen todos los elementos de la elipse pedida.
F 42- Dibujar la elipse afín de la circunferencia de centro O, tomando como eje de afinidad el punto
del infinito perpendicular a E, siendo el coeficiente de afinidad −1.
Solución:
S∞
B’ A
M
N
O
E
B A’
′
El coeficiente de afinidad es S  OAA ′   −1  A O . Por tanto, los puntos homólogos son
AO
simétricos respecto a E, siendo la afín de la circunferencia ella misma. El homólogo del arco MAN
es el arco MA ′ N. Generalizando el problema, para definir la homología que transforma una cónica
en ella misma, tomando como centro un punto cualquiera del plano, se toma como eje la polar de
ese punto y como coeficiente de homología −1. Para el caso del problema, el centro está en el
infinito y su polar es el diámetro perpendicular.
183
F 43- Hallar ejes y vértices de una elipse afín de una circunferencia dada O, siendo E el eje de
afinidad, S  su centro, y −2 el coeficiente de afinidad.
Solución:
C
v1
P
v3
S∞
O
A
v4
V3
V1
v2
V2 B
O’
E
V4
′
El coeficiente de afinidad es S  AOO ′   O ′ OAS    O A  −2, con lo que se determina O ′ . Se
OA
traza la circunferencia que pasa por O y O ′ con centro P en E, siendo su diámetro BC. Sean las
rectas homólogas CO, CO ′ y BO, BO ′ . Como OB y OC son perpendiculares, O ′ B y O ′ C son
diámetros conjugados, y como son perpendiculares, son los ejes de la elipse. Para hallar sus
vértices, se determinan los homólogos de v 1 , v 2 , v 3 y v 4 (intersecciones de OC y OB con la
circunferencia O). Para ello se trazan las paralelas a AS  por dichos cuatro puntos, obteniéndose
los vértices V 1 , V 2 , V 3 y V 4 de la elipse.
F 44- Hallar la intersección de una recta dada con la homotética de una elipse, siendo S el centro de
homotecia, O y O ′ un par de puntos homotéticos, y SO ′ y BC los ejes de la elipse.
Solución:
r
r1
S1∞
r’
P’
P1
C
P
O
S
Q
Q1
r
r1
O’
E
B
Q’
r’
Se plantea una afinidad de eje SO ′ , centro S 1 y coeficiente de afinidad
S 1 OBB 1   B 1 BOS 1   B 1 O , con lo que se obtiene la circunferencia de centro O y diámetro
BO
SO ′ . Siendo r ′ la recta dada, su homotética es la recta paralela r. Y la afín de esta, es la recta r 1 ,
que corta a la circunferencia en P 1 y Q 1 . Deshaciendo la afinidad, se obtienen los puntos P y Q,
que son los de intersección de r con la elipse dada, siendo sus homotéticos P ′ y Q ′ , los puntos
pedidos.
184
F 45- Se da la circunferencia O, de diámetro AB. Un punto P recorre la tangente en A. Desde P se traza
la tangente PC a O en el punto C. Se traza CD, paralela a PA. Hallar el lugar geométrico de M,
intersección de CD con PB.
Solución:
P
S∞
C
F
M
O
A
B
E
N
G
D
Siendo E la intersección de PC con AB, como CD es la polar de E, se tiene ENBA  −1.
Proyectando desde P y cortando por CD, se tiene CNMS    −1. Luego M es el punto medio de
CN. Planteando una afinidad de eje AB, centro S  y razón de afinidad 1 , la curva afín de la
2
circunferencia O, es una elipse de ejes AB y FG  AB . Y como el afín de C es M, el lugar
2
geométrico de M es la citada elipse.
F 46- Se da el círculo principal O y un punto A de una hipérbola, hallar el lugar geométrico de sus
focos.
Solución:
A
O
F1
F2
B
Sean F 1 y F 2 los focos. La hipérbola pasa también por B, simétrico de A respecto a O. Por tanto:
AF 1 − AF 2  BF 2 − BF 1 , cantidad que es constante. Luego F 1 y F 2 describen una hipérbola de
focos A y B, siendo su círculo principal O.
F 47- Hallar el lugar geométrico de los centros C de los círculos tangentes a dos círculos dados O 1 y
O 2 , exteriores entre sí.
Solución:
O1
O2
C
CO 1  R  r 1 , CO 2  R  r 2 , siendo r 1 y r 2 los radios conocidos de O 1 y O 2 , y R el de C. Luego
CO 1 − CO 2  r 1 − r 2 , por lo que C describe una hipérbola de focos O 1 y O 2 .
Nota: Ver el problema F 25, para el caso en que O 1 y O 2 sean uno interior al otro.
185
F 48- Demostrar que en una hipérbola equilátera, la recta que une un punto P de la hipérbola con su
centro O, es media proporcional de los dos radios vectores de dicho punto P.
Solución:
P
F1
F2
O
Sean d 1 y d 2 las distancias de P a los focos F 1 y F 2 . Luego d 21  d 22  2  OP 2  2c 2 , siendo
2c  F 1 F 2 . Además d 1 − d 2  2  4a 2  d 21  d 22 − 2d 1 d 2 , siendo 2a el eje. Restando ambas
expresiones, se tiene: 2d 1 d 2  2  OP 2  2c 2 − 4a 2 . Como c 2  2a 2 , se tiene d 1 d 2  OP 2 .
F 49- Dada la recta r, se determinan sobre ella tres puntos A, B y C, en ese orden. Se trazan desde A y
C, las tangentes t A y t C a los círculos O que son tangentes a r en B. Hallar el lugar geométrico de
los puntos P de intersección de t A y t C .
Solución:
P
E
D
O
tA
tC
C
B M
A
r
Sean D y E los puntos de tangencia de t A y t C . Se tiene: AP  AD  DP  AB  DP, y
CP  CE  EP  CB  DP. Restando ambas expresiones, se tiene AP − CP  AB − CB. Siendo M
el punto medio de AC, se tiene AP − CP  2  MB. Luego P describe una hipérbola de focos A y C,
y centro M, siendo B uno de sus vértices.
F 50- Hallar el lugar geométrico de los centros O de las hipérbolas que pasan por dos puntos dados A y
B, y sus asíntotas son paralelas a dos rectas dadas r 1 y r 2 .
Solución:
r1
D
A
O
M
C
B
E
r2
Se trazan desde A y B las paralelas a r 1 y r 2 , que se cortan en C. Sean D y E los puntos en que las
asíntotas de una de las hipérbolas, cortan a AB. Los segmentos DA y BE han de ser iguales. Luego
O está en la mediana OCM, siendo M el punto medio de AB. El lugar geométrico pedido es la recta
CM.
F 51- Determinar los focos de una hipérbola que pasa por los puntos A y B dados, siendo una de sus
directrices la recta d dada, y sabiendo que una de sus asíntotas es paralela a la recta t dada.
186
Solución:
t
F2
A
B
d
F1
N
M
Se trazan por A y B paralelas a t, que cortan a d en M y N respectivamente. Los puntos de
intersección de las circunferencias trazadas con centros A y B, y radios AM y BN, son los focos
buscados.
F 52- Demostrar que en una hipérbola equilátera son concíclicos su centro O, el punto de intersección
A de dos secantes s 1 y s 2 , y los puntos de intersección B y C de cada secante con el diámetro
conjugado de la otra.
Solución:
s1
Y
s2
E
A
B
C
M
N
O
s2
X
s1
D
Sean OX y OY las asíntotas. Sean OBE y OCD los diámetros conjugados de s 1 y s 2 ,
CMO  COM,
BON  BNO,
COB   − COM − BON,
respectivamente.
Luego
CAB   − CMO − BNO,
COB  CAB.
Luego
AEO   − ACO − COB   − ACO − CAB  ADO. Por tanto, al verse OA desde E y desde D
bajo el mismo ángulo (o suplementario), O, A, E y D son concíclicos.
F 53- Demostrar que si un triángulo ABC está inscrito en una hipérbola equilátera, el centro O de esta
se encuentra sobre el círculo de Euler de aquel.
Solución:
Y
A
B’
C
C’
O
X
A’
B
Sean las asíntotas OX y OY, y sea ABC el triángulo inscrito. El círculo de Euler pasa por los
puntos medios A ′ , B ′ y C ′ de los lados del triángulo. Por tanto hay que demostrar que dichos
puntos medios y el centro O de la hipérbola, son concíclicos. Se ha visto en el problema F 52, que
A ′ OB ′  BCA  A ′ CB ′ . Por tanto, A ′ B ′ se ve bajo el mismo ángulo desde O y desde C, luego O,
A ′ , B ′ y C ′ son concíclicos.
187
F 54- Determinar la directriz d y el centro O de una hipérbola de la que se conocen un foco F, una
asíntota a y un punto A.
Solución:
d
a
A
F’
B
O
F
La proyección F ′ de F sobre a, pertenece a d. Se fija el punto B sobre la paralela a a trazada desde
A, siendo AB  AF. Luego F ′ B es la directriz. El pie de la perpendicular a d desde F, es el centro
O.
F 55- Hallar el lugar geométrico de los puntos que dividen en tres partes iguales a los arcos de
circunferencia que pasan por dos puntos dados AB.
Solución:
d
C
D
M
B
A
Sea ACDB un arco, siendo C y D los puntos que lo dividen en tres partes iguales
arco AC  arco CD  arco DB . Luego también son iguales las cuerdas AC  CD  DB. Sea
M el punto medio de la cuerda CD, se tiene AC  2  CM. Luego C describe una hipérbola de foco
A y directriz d (perpendicular a AB por M) y excentricidad 2.
F 56- Determinar el centro O de una hipérbola, conociendo un foco F, una asíntota a y una tangente t.
Solución: Sean A y B las proyecciones de F sobre a y t. La mediatriz de AB corta a a en O.
F 57- Demostrar que los cuatro radios vectores que unen los focos F 1 y F 2 de una hipérbola con dos
de sus puntos A y B, son tangentes a un mismo círculo.
Solución: Las tangentes en A y B a la hipérbola son bisectrices de los ángulos formados por los
radios vectores. Por tanto, el punto P, intersección de dichas tangentes, equidista de los cuatro
radios vectores (ver F 31).
F 58- Hallar el lugar geométrico del centro O y del foco F 1 de las hipérbolas que tienen un foco F 2
fijo y pasan por dos puntos A y B dados.
Solución: Se verifica que F 2 A − F 2 B  F 1 A − F 1 B. Luego F 1 describe una hipérbola de focos A
y B. Como F 2 O  1 , el centro O describe una hipérbola homotética de la anterior, con centro
F2F1
2
de homotecia F 2 y razón 1 .
2
F 59- Hallar el lugar geométrico del vértice C de un triángulo ABC, en el que AB es fijo, y el ángulo B
es doble del A.
Solución:
C
O
A
H
B
Sea O el círculo circunscrito al triángulo. El arco AC es doble del arco BC. Por tanto C describe
una hipérbola de foco B y directriz OH (mediatriz de AB).
188
F 60- Determinar el centro O de una hipérbola de la que se conocen el foco F, el vértice V y una
tangente t.
Solución: Sea P la proyección de F sobre t. La mediatriz de PV corta a FV en O.
F 61- Siendo P un punto de una hipérbola de centro O, y F 1 uno de sus focos, demostrar que el círculo
que tiene por diámetro F 1 P es tangente al círculo principal.
Solución:
P
M
F1
F2
O
Siendo M el punto medio de PF 1 , se tiene 2  F 1 M − 2  OM  2a, es decir F 1 M − OM  a,
OM  F 1 M − a. Luego el círculo principal es tangente interior al de diámetro F 1 P.
F 62- Desde un punto P exterior a una hipérbola, se trazan las tangentes a la curva. Hallar el lugar
geométrico de P para que estas tangentes lo sean a una sola de las ramas de la hipérbola, o a las
dos.
Solución: Si P se encuentra dentro del ángulo formado por las asíntotas que no contiene ninguna
rama de la hipérbola, se pueden trazar desde él dos tangentes, una a cada rama. Si P se encuentra
entre las asíntotas y la curva, se pueden trazar dos tangentes desde él, y las dos a la misma rama de
la hipérbola.
F 63- Hallar los vértices de una hipérbola de la que se conocen sus asíntotas OP y OQ, y un punto A.
Solución:
P
Q
A
O
M’
M
Se traza el eje, bisectriz de OP y OQ en el ángulo en el que se encuentra A. Sobre él se forman dos
series proyectivas en involución. Considerando a P  Q  , recta del infinito, como del vértice P  , el
homólogo del infinito del eje es su intersección con la asíntota Q  , es decir O es punto límite. Y si
se considera a la recta del infinito como del vértice Q  , el homólogo del infinito del eje es su
intersección con P  , es decir O es punto límite. Los dos puntos límites se confunden en O. Por
tanto, O es centro de una involución en la que M y M ′ (intersección con el eje, de las paralelas a las
asíntotas trazadas desde A) son homólogos. Como los puntos dobles de esta involución son los
vértices, se tiene que OV 2  OM  OM ′ .
F 64- Sean A y B los puntos en que la tangente AB corta a las asíntotas OA y OB de una hipérbola. Por
A y B se trazan las paralelas AP y BP a las asíntotas. Demostrar que OP corta a AB en M, punto de
contacto de la tangente, siendo AM  MB.
Solución:
5
(2)
B
3
6
P
O
M
4
A
(1)
Aplicando el teorema de Brianchon, se tiene que AP es 1 − 4, BP es 5 − 2, y uniendo P con O
3 da M, punto de contacto. En el paralelogramo AOBP, la diagonal AB, que es la tangente, queda
dividida en dos partes iguales por el punto de contacto M.
189
F 65- Hallar la polar recíproca de una hipérbola equilátera (directa), cuyo eje principal es VV ′ ,
respecto a la circunferencia principal (directriz).
Solución:
E∞
t
F V
t
A∞
V’ F’ e
O
B∞
Las tangentes a la hipérbola dada, trazadas desde el centro O, son sus asíntotas. Se hallan las
polares de A  y B  (asíntotas de la hipérbola), que son las asíntotas de la recíproca, que coinciden
con las de la directa. Para hallar los vértices, se determina el polo E  del eje e, respecto a la
directriz. Para ello se trazan las tangentes t a la directriz, cuyos polos V son los vértices pedidos.
F 66- Desde un punto P de una hipérbola se trazan paralelas a las asíntotas, que cortan a uno de sus
diámetros en los puntos M y N. Demostrar que el semidiámetro es media proporcional entre las
distancias del centro a M y N.
Solución:
A∞
P
O
N
M
B∞
Sea Q el punto en que el diámetro MN corta a la curva. Proyectando desde los puntos A  y B  de
las asíntotas, la cuaterna P, Q, A  y B  , se tiene A  , A  B  PQ  B  , A  B  PQ . Cortando por
OQ
, es decir OQ 2  OM  ON.
OMN, se tiene OMQ  ONQ. Por tanto OM 
ON
OQ
F 67- Una hipérbola equilátera está determinada por un diámetro AB en posición y magnitud, y por su
diámetro conjugado, aunque este sólo en posición: Hallar su magnitud y trazar las asíntotas.
Solución:
d’
a’
A
a
D
d
O
B
C
Sean los diámetros conjugados d y d ′ (d está limitado por los puntos A y B). Las asíntotas a y a ′ ,
son las bisectrices de los ángulos formados por d y d ′ . El paralelogramo formado por las tangentes
en A y B, es un rombo que limita a d ′ en los puntos C y D (CD  AB).
190
F 68- Hallar los focos de una hipérbola de la que se conocen las asíntotas y un punto.
Solución:
E M
L
A
V1
S
C
F1
V’1
C’
W
B
Se plantea una homología en la que el centro es S, intersección de las asíntotas, siendo la
homóloga de la hipérbola, una circunferencia cualquiera que sea tangente en A y B a las asíntotas.
La recta límite es AB. Siendo C ′ el punto dado, la construcción de su homólogo C determina el eje
E (el eje es la paralela a L por el punto de intersección de AC con la paralela a A ′ trazada por C ′ ).
Se traza la bisectriz SW de las asíntotas y el homólogo V ′1 de V 1 es un vértice de la hipérbola. La
perpendicular a la bisectriz por V ′ , da M. La distancia SM  SF 1 , da el foco F 1 .
F 69- En una hipérbola se conocen una asíntota, dos tangentes y el punto de contacto de una de ellas.
Trazar una tangente paralela a una de las dadas.
Solución:
A
B
P∞
D∞
D∞
P∞
D∞
D’
A’
Las tangentes son AB (B es su punto de contacto) y AA ′ , y la asíntota es A ′ D ′ . Se toman como
transversales A ′ D ′ y AB, y sea BP  (recta que une los puntos de contacto de tangente y asíntota) el
eje perspectivo. Para trazar la tangente desde B  (es paralela a la tangente AB), se halla su
homólogo D ′ . La tangente pedida es D ′ D  .
F 70- Hallar el lugar geométrico de P, intersección de las perpendiculares AP y BP a AM y BM
respectivamente, siendo A y B dos puntos fijos de una hipérbola y M un punto móvil sobre ella.
Solución:
B
M3∞
M1
P2∞ P3∞
M2∞
P3∞
P2∞
M2∞
P1
M3∞
A
Se forman dos haces proyectivos en A y B cuando M recorre la hipérbola, que seguirán siendo
proyectivos cuando se les dé un giro cualquiera. A, P 1 P 2 . .  B, P 1 P 2 . . , por lo que P recorre
una cónica. Si AM y BM son paralelas, AP y BM también lo son, luego la cónica es una hipérbola
que pasa por A y B.
191
F 71- En una cónica se conocen cuatro puntos A, B, C y D  , y la tangente t en A. Determinar la clase
de la cónica.
Solución:
t
2
B
3
6
A
D∞
C D
∞
4
5
D
2
1
D∞
1
6
A
4
3
B
5
C
Por el teorema de Pascal, se traza la tangente en D  , que como es infinito, la curva es una
hipérbola.
F 72- En una hipérbola se conocen las asíntotas y un punto C. 1º) Trazar la tangente en C. 2º) Hallar
su intersección con una secante que pase por C.
Solución:
1º)
M
3
O
1-4
P
1
A∞
5
C
A
1
Q
3-6
6
4
N
(5-2)∞
6
C
2∞
3
5
4
B
B∞
Las asíntotas son A  y B  . La tangente es MN. Se deduce que si una recta corta a la hipérbola en
C 1 y C 2 , y a las asíntotas en M y N, se tiene que C 1 M  C 2 N (en el caso de la figura C 1 y C 2 se
confunden en C).
2º)
A∞
O
1
1-4
I
3
D
H 5
3-6
A∞
C
6
1
D
2∞
4
5
4
3
C
B∞
B∞
De acuerdo con la construcción, el punto buscado es D.
F 73- En una hipérbola se conocen una asíntota a y tres tangentes b, c y d. Hallar el punto de contacto
de la tangente b.
Solución:
a
a
b
b
2
c
M 3
A
P
c
3
4
6∞
6∞
4
d
1
2
5
5
De acuerdo con la construcción, el punto de contacto es M.
192
d
F 74- Una serie de parábolas pasan por un punto P y tienen la misma tangente t en dicho punto, siendo
sus ejes paralelos a la recta r. Hallar el lugar geométrico de sus focos.
Solución:
s
t
P
r
Siendo la tangente, bisectriz del ángulo formado por los radios vectores, los focos F están sobre la
recta s, simétrica de r respecto a t.
F 75- Una serie de parábolas pasan por un punto fijo P, y tienen su vértice V fijo. Hallar el lugar
geométrico del punto de intersección de la tangente en P, con el eje.
Solución:
P
V
Q
H
A
R
Sea VA el eje de una de las parábolas. Sea H la proyección de P sobre VA. Y sea Q el simétrico de
H respecto a V. La tangente en P es PQ, pues QV  VH. Se traza QR perpendicular a VQ, siendo
VR  VP, por lo que R es fijo. Luego Q está en la circunferencia de diámetro VR.
F 76- Demostrar que dada la recta r y un punto F sobre ella, para todo punto P del plano, hay dos
parábolas que tienen por eje r, por foco F, y que estas dos parábolas se cortan ortogonalmente.
Solución:
t2
t1
⋅P
A
r
B
F
La circunferencia de centro P y radio PF, tiene dos tangentes t 1 y t 2 perpendiculares a r, que son
las directrices de las dos parábolas. Las tangentes en P a las dos parábolas son las bisectrices de
APF y BPF, que son suplementarios, luego las tangentes son perpendiculares y las parábolas se
cortan ortogonalmente.
F 77- Determinar la directriz de una parábola conociendo el foco F, un punto P, y una tangente t.
Solución: Se traza el círculo de centro P y radio FP. Sea F ′ el simétrico de F respecto a t. Desde
F ′ se trazan las tangentes a dicho círculo, que son las directrices de las dos parábolas que cumplen
el enunciado.
F 78- Inscribir en una parábola dada, un triángulo cuyos lados sean paralelos a tres direcciones dadas.
Solución: Se traza un triángulo A ′ B ′ C ′ de lados paralelos a las tres direcciones dadas y se le
circunscribe una parábola cuyo eje sea paralelo al eje de la parábola dada. Esta y aquella son
homotéticas. Se une el centro de homotecia con los tres vértices A ′ , B ′ y C ′ . Estas tres rectas
cortarán a la parábola dada en A, B y C, que determinan el triángulo pedido.
193
F 79- Determinar el foco de una parábola que pasa por dos puntos dados A y B, y cuya directriz d es
conocida.
Solución: Con centros en A y B se trazan dos circunferencias tangentes a d. Los puntos de corte
de las circunferencias son los focos buscados.
F 80- Hallar el lugar geométrico de los centros O de los círculos tangentes a un círculo C dado, y a una
recta t dada, exterior a C.
Solución:
t’
t
⋅
C
O
Se traza t ′ , paralela a t, a una distancia de t igual a r, radio de C, situada al lado de t opuesto a C
(en el dibujo C está a la izquierda de t, y t ′ a la derecha). Las distancias de O a C y a t ′ , son iguales.
Luego O describe una parábola cuyo foco es C y cuya directriz es t ′ .
F 81- Demostrar que el ortocentro de un triángulo ABC, cuyos lados son tangentes a una parábola, se
encuentra sobre su directriz.
Solución:
A
FC
M
H
⋅
F
FB
B
FA
C
t
El foco F de la parábola se encuentra sobre el círculo circunscrito al triángulo ABC. Las
proyecciones F A , F B y F C de F sobre los tres lados del triángulo, están sobre la tangente t en el
vértice, y esta es la recta de Simson correspondiente a F. Como la recta que une el ortocentro de un
triángulo con cualquier punto del círculo circunscrito, queda dividida en su punto medio por la
recta de Simson de dicho punto, la recta FH (H es el ortocentro del ABC) queda dividida en dos
partes iguales por t, luego H está sobre la directriz.
F 82- Determinar la directriz d de una parábola conociendo dos tangentes t 1 y t 2 , y el foco F.
Solución: Los puntos simétricos F 1 y F 2 de F respecto a las tangentes, definen la directriz.
F 83- Determinar el foco F de una parábola, conociendo uno de sus puntos P, una tangente t, y la
directriz d.
Solución:
A
t
B
P⋅
d
C
b
El punto A es la intersección de d y t. Sea b la bisectriz del ángulo formado por d y t. Sobre dicha
bisectriz se encuentra F. Con centro en P se traza la circunferencia tangente a d. Los puntos B y C
194
de intersección con b, dan las soluciones de F.
F 84- Dada una parábola, trazar la normal a la misma que pasa por un punto P dado del eje.
Solución: Sean F y V el foco y el vértice de la parábola. Sobre el eje se determina el punto A, de
forma que PA sea igual al parámetro de la parábola. Se determina, también sobre el eje, un punto
B, de manera que AB sea igual al doble de AV. Sobre PB como diámetro, se traza una
circunferencia que corta a la perpendicular al eje trazada en A, en los pies de las dos normales
pedidas.
F 85- Hallar el lugar geométrico del foco F de una parábola de la que se conocen un punto P, la
tangente t en dicho punto, y el punto A en que t corta la eje.
Solución:
P
t
B
m
A
Sea B el punto medio de AP. Por él pasan las tangentes en el vértice de todas las parábolas que
cumplen las condiciones del enunciado. Luego F describe la perpendicular a t en B.
F 86- Hallar el lugar geométrico de los focos de las parábolas tangentes a tres rectas dadas.
Solución: El lugar geométrico buscado es la circunferencia circunscrita al triángulo formado por
las tres tangentes, puesto que las proyecciones del foco sobre las tres tangentes, están en línea
recta.
F 87- Hallar el lugar geométrico de los focos F de las parábolas tangentes en el vértice V a una recta
dada t, y que pasan por un punto P dado.
Solución:
t
V F
Q
SR
P
Sea Q la proyección de P sobre el eje. Por tanto PQ 2  4  VF  VQ, luego FR 2  4  RS  SP. Si
se toman como ejes coordenados SP y SV, se tiene y 2  4x  SP. Luego F describe una parábola de
foco P, siendo t la tangente en su vértice.
F 88- Dos parábolas tienen el mismo foco F, siendo sus directrices d 1 y d 2 perpendiculares. Demostrar
que los puntos de contacto T 1 y T 2 de la tangente común t, están sobre las directrices d 2 y d 1
respectivamente.
Solución:
T2
A
d1
⋅F
d2
T1
Las directrices d 1 y d 2 se cortan en A. Se traza la mediatriz de AF que es la tangente común, y por
tanto sus intersecciones con d 1 y d 2 dan T 2 y T 1 ,
195
F 89- Hallar el lugar geométrico de los focos F de las parábolas que tienen el vértice fijo V y una
tangente t fija.
Solución:
t
P
F
V
Sea P la proyección de F sobre t. El punto P está sobre la tangente en el vértice V, que es la recta
PV. Luego el triángulo FVP es rectángulo. El foco F describe una parábola de vértice V y cuyo eje
es perpendicular a t.
F 90- Se conocen de una parábola, su foco F, la directriz d, y una recta r perpendicular a su eje. Por
cada punto P de la parábola, se traza su tangente t, que corta a r en A. Se pide el lugar geométrico
del punto B, proyección de A sobre FP,
Solución:
B
d
t
A
P
F’
C
r
F
Sea C la proyección de P sobre r. Los triángulos PBA y PCA son iguales, pues sus ángulos son
iguales y tienen la misma hipotenusa, luego PB  PC. Como PF  PF ′ , se tiene que BF  CF ′ ,
que es constante. Luego el lugar geométrico de B es un círculo de centro F y radio CF ′ .
F 91- Se da un triángulo isósceles ABC, cuyos lados iguales AB y AC, son tangentes a una cónica en B
y C. Siendo D el punto medio de BC, AD es la dirección de un punto del infinito de la cónica.
Hallar la clase de la cónica y su vértice.
Solución:
N
M
(2)
(1)
A
1
4 (4) V
(5)
B
2
3
D
(6)
C
Se traza el rectángulo MNBC. Se aplica Pascal para trazar la tangente en el punto del infinito. Para
ello, se traza desde el punto del infinito de MN, la paralela NC a AD, es decir que la recta del
infinito es tangente a la curva, luego es una parábola. Como BC es una cuerda, y AD es paralela al
eje, esta la divide en dos partes iguales, luego AD es el eje de la parábola. Para hallar su vértice V,
basta hallar el segundo punto en que el eje AD corta a la curva.
196
F 92- Determinada una parábola por la tangente t en un punto A de la misma, por otro punto B, y por
la dirección E  del eje, hallar los puntos de intersección de una recta r paralela a la tangente en A.
Solución:
t
A
O
r
E∞
C
B
C’
Tomando como vértices A y E  , se forman sobre r dos series proyectivas en involución. En efecto,
el punto O, tomando AE  como del vértice A, tiene por homólogo el punto r  , luego O es el punto
límite J ′ . Si AE  se considera como del vértice E  , O será homólogo del punto en que r corta a la
tangente en A, a la que es paralela, luego O es el punto límite I. Al confundirse los dos puntos
límites, O es el punto central de la involución. Siendo P y Q los puntos dobles, de intersección de r
con la curva, se tiene OP 2  OQ 2  OC  OC ′ .
F 93- Demostrar que las tangentes trazadas en los extremos de una cuerda focal de una parábola, se
cortan en la directriz formando un ángulo recto.
Solución:
M
d
P
F
Q
N
Sea d la directriz, F el foco, PM y PN las tangentes. Como P, MNFQ
 −1, y como PM y PN
son bisectrices de d, PF y de FPQ, son perpendiculares.
F 94- Se da una parábola determinada por su foco F y su directriz d, y un círculo de centro F. Trazar la
circunferencia polar recíproca de la parábola con respecto al círculo dado.
Solución:
d
C
F
El centro del círculo director es F, y la polar de su centro es d. Por tanto, hallando el polo de d, se
obtiene C, centro del círculo pedido. Y como F tiene que estar en este círculo, su radio es CF.
F 95- Demostrar que si en una parábola se conocen tres puntos fijos A, B y C, y otro P variable, las
′
.
rectas PA y PB cortan al diámetro que pasa por C en A ′ y B ′ , siendo constante la razón CA
B′C
Solución: Proyectando desde cualquier punto de la curva, los cuatro puntos fijos A, B, C e , se
obtiene siempre la misma relación ABC. Luego cortando el haz P, ABC por el diámetro
′
que pasa por C, se tiene P, ABC  A ′ B ′ C  A ′ C , que es constante.
BC
197
F 96- En una parábola se conocen su vértice V, la tangente r en el vértice, y un punto B. Trazar la
tangente en dicho punto B.
Solución:
L’
E
r
t
B
M
A∞
N
B’
V
t’
A’
O
A∞
Se plantea una homología de centro V, siendo la homóloga de la parábola, una circunferencia O,
tangente en V a r. El punto A ′ está en VOA  , que es perpendicular a r. La recta del infinito es
tangente a la parábola en A  , por lo que la recta límite L ′ es tangente a O en A ′ . Las rectas A  B y
A ′ B ′ determinan M, punto del eje E. La tangente t en B a la parábola, es NB, homóloga de la
tangente t ′ en B ′ a la circunferencia O.
F 97- En una parábola se conocen dos tangentes m ′ y n ′ , y dos puntos A ′ y B ′ . Trazar la tangente en
B′.
Solución
E
m’
L
t
A’∞
A
S
O
B
N
B’
t’
M
A’∞
n’
Se plantea una homología en la que la homóloga de la parábola es una circunferencia O, tangente a
m ′ y n ′ , siendo el centro de la homología S, intersección de m ′ y n ′ . El punto A está en la
intersección de SA ′ con O, y el punto B en la de SB ′ con O. Como la recta del infinito es tangente
a la parábola en A ′ , la recta límite es la tangente a O en A. El eje E es la paralela a L trazada por
M, intersección de AB y A ′ B ′ . La tangente en B ′ es t ′ (es decir B ′ N, siendo N la intersección de t
con E), homóloga de la tangente t en B.
F 98- En una parábola se conocen cuatro puntos A, B, C y D  . Trazar la tangente t en A.
Solución:
S∞
B
t
1-2’
1
D∞
2’
2
C
1’-2
1’
D∞
A
La tangente en D  es la recta del infinito. Por tanto, se conocen cuatro puntos y la tangente en uno
198
de ellos. Al tomar A y D  como vértices de haces, el centro perspectivo está en el infinito. La
tangente t pedida es paralela a 1 ′ .
F 99- En una parábola se conocen dos tangentes, el punto de contacto de una de ellas, y el punto del
infinito. Trazar la tangente en el vértice.
Solución:
D’∞
D’∞
a
A
C∞
b
D
B
B’∞
B’∞
Se conocen tres tangentes: a, b y la recta del infinito. Y se conocen dos puntos de contacto: A de la
tangente a, y C  de la recta del infinito. Se trata de trazar la tangente desde el punto D ′ , normal a
C  por ser la tangente en el vértice perpendicular al eje. Se toman como bases las dos tangentes, a
y la recta del infinito, cuyos puntos de contacto se conocen, A y C  . El eje perspectivo es la recta
AC  . Basta hallar D, homólogo de D ′ . La recta DD ′ es la tangente en el vértice.
F 100- En una parábola se conocen las tangentes a y b, el punto de contacto A de la primera, y el punto
C  . Hallar el punto de contacto B de la tangente b.
Solución:
a 6
∞
A(1)
6∞
a
6∞
C∞
2
C∞(5∞)
A(1)
b
2
3(B)
3(B)
b
4∞
La obtención de B se expone en la figura. Se deduce de ella la siguiente propiedad de la parábola:
el punto del infinito de una parábola está determinado por la recta que une un punto cualquiera con
el punto medio de la recta que une los puntos de contacto de las tangentes trazadas desde él.
F 101- En una parábola se conocen el eje e, el vértice V, y un punto P. Por V se traza una recta r.
Hallar su intersección con la parábola.
Solución:
t
1
5
r
P
A∞
4
M
O
V
4
3
V
t
A∞ 3 e
5(r)
M
6
A∞
1
a
P
Conociendo e, se conoce A  y la tangente en él (la recta del infinito). La tangente en V es
perpendicular a e. Se conocen, por tanto, tres puntos (V, A  y P) y dos tangentes (la recta del
infinito en A  , y la perpendicular a e por V). El punto de intersección pedido es M.
199
200
Sección G - ÁREAS
G 1- Hallar el área de un sector circular de 60º en el que hay inscrito un círculo de área 4 .
9
Solución:
A
D
C
O
E
B
Siendo OA  R, el área del sector es S  R 60º  R . Siendo CE  r, el área del círculo es
6
360º
r 2  4 ,
de
donde
r  2.
En
el
triángulo
ODB,
se
tiene
9
3
2
CE
3
r
sin 30º 


 1 . De donde R  2, y el área pedida es S  4  2 .
R−r
OC
2
6
3
R− 2
3
2
2
G 2- Siendo A ′ B ′ C ′ D ′ los puntos medios de los lados del cuadrado ABCD, hallar en función del lado
de este, el área del cuadrado curvilíneo dibujado MNPQ.
Solución:
B
B’
M
C
N
H
A’
C’
Q
A
P
D’
D
Los ángulos en D ′ valen: AD ′ A ′  45º, A ′ D ′ M  30º, MD ′ B ′  15º. El radio D ′ A ′  r 
a ,
2
b
2− 3
 b 
. Luego,
siendo a  AB. Llamando b a MN, se tiene sin 15º  2′
2r
2
DM
2− 3
ba
 r 2 − 3 . Llamando h a la altura D ′ H trazada desde D ′ sobre MN, se tiene:
2
r 2 3
2
2
2
2 3

. El área del triángulo MD ′ N es bh  a  r . El
h  r2 − b  a
2
4
8
2
8
4
2
2
r 2  − 3
r
r
segmento circular limitado por la cuerda MN tiene por área
−

. El cuadrado
12
4
12
MNPQ tiene por área b 2  r 2 2 − 3 . Luego el área del cuadrado curvilíneo MNPQ es igual a
2
r 2 2 − 3  4  − 3   r 2 1 − 3    a 3 − 3 3   .
6
12
3
201
G 3- Calcular el área de la estrella formada por arcos de un cuadrante, trazados haciendo centro en los
vértices de un cuadrado de lado a.
Solución:
B
A
C
E
D
BEC  30º. Área del sector EBC  a 30º  a . Área del rectángulo ABDE  a .
6
2
360º
a2 3
a
1

 a sin 60º 
.
Área del triángulo CDE 
8
2 2
a 2 12 − 2 − 3 3
2
2
a2 3
Área del triángulo mixtilíneo ABC  a − a −

.
2
12
8
24
2
a 12 − 2 − 3 3
2
Área de la estrella  a 2 − 8 
 a 2  3 3 − 9 .
24
3
G 4- Sobre los lados de un exágono regular de lado a, se construyen cuadrados exteriores cuyos
vértices se unen mediante arcos de radio a con centro en los vértices del exágono dado. Hallar el
área de la figura resultante, en función de a.
Solución:
2
2
2
D
E
A
F
B
C
O
En la figura se ha representado el cuadrante superior derecho. Los vértices del exágono son A y C.
Sobre AC se ha construido el cuadrado ACFE, cuyo vértice E se ha unido al vértice D mediante el
arco DE de centro A y radio AE  a. El área pedida corresponde a seis veces el área de
OADEFCO  6S OAC  S ADE  S ACFE .
2
2
a 3
a2 3

, S ADE  a 60º  a y S ACEF  a 2 , el área pedida es
Como S OAC  1 a
2
4
6
360º
2
2
3

a
2

1 
3 3  2  12 .
6a
4
2
6
G 5- Hallar el área de un triángulo rectángulo, conociendo el radio del círculo inscrito r  1, y la
hipotenusa a  5.
Solución:
A
F
D
B
E
C
Se tiene que BD  BE  1, AD  AF  x, CF  CE  5 − x. Luego x  1 2  6 − x 2  25. De
donde x 1  2, x 2  3. El área pedida es 4  3  6.
2
202
G 6- Se da un cuadrado de lado a y se unen los puntos medios de cada lado con los vértices del lado opuesto,
formando estas rectas al cortarse, un octógono convexo cuya área se pide.
Solución:
C
B
A
O
El octógono está formado por ocho triángulos OAB. Se tiene OA  a , AOB  45º, tan OAB  OC  2,
4
OA
sin OAB  2 , sin OBA  sin 180º − 45º − OAB  sin 135º − OAB  3 . En el triángulo OAB, se
5
10
a
5
a
2
OB . De donde AB 
AB
tiene: OA


, OB 
,
12
6
sin OBA
sin AOB
sin OAB
2
2
S OAB  1 AB  OA  sin OAB  a . El área del octógono es a .
2
48
6
G 7- Dado un triángulo ABC, se toman sobre los lados los puntos A ′ , B ′ y C ′ , de forma que
C ′ A  A ′ B  B ′ C  m . Se unen AA ′ , BB ′ y CC ′ . Calcular el área S ′ de un triángulo cuyos
n
A′C
C′B
B′A
lados sean iguales a estas tres rectas, en función del área S del triángulo ABC. Sean A ′′ , B ′′ y C ′′ las
intersecciones de las rectas AA ′ , BB ′ y CC ′ . Calcular el área S ′′ del triángulo A ′′ B ′′ C ′′ , en función
de S.
Solución:
A
C’
A’’
B’’
B
B’
C’’
C
A’
Sean a, b y c los lados del triángulo ABC, y sean a ′  AA ′ , b ′  BB ′ y c ′  CC ′ . Se tiene
cos B . Como −2ac cos B  b 2 − a 2 − c 2 , se tiene que:
m2
a ′2 
a 2  c 2 − 2mac
2
m

n

n
m
a ′2 m  n 2  m 2 a 2  c 2 m  n 2  mb 2 − a 2 − c 2 m  n  −mna 2  mm  nb 2  nm  nc 2 .
Obteniendo las expresiones análogas para b ′ y c ′ , y sumándolas, se tiene:
m  n 2 a ′2  b ′2  c ′2   m  n 2 − mn a 2  b 2  c 2 , es decir:
a ′2  b ′2  c ′2  m 2  mn  n 2 . Como S 2  pp − ap − bp − c, sustituyendo p  a  b  c
2
a2  b2  c2
m  n 2
2
2
2
2 2
4
4
4
y operando, se tiene: 16S  a  b  c  − 2a  b  c . Análogamente:
2
m 2  mn  n 2
a 2  b 2  c 2  2 − 2a 4  b 4  c 4 
m  n 2
2
2
′′
′ ′′
2
Luego, S ′  m  mn 2 n S. Por otra parte se tiene que AB ′′  m
, A′ B ′′  n 2 ,
n
AC
AC
m
m  n
B ′′ C ′′ 
n2 − m2 .
a′
m 2  mn  n 2
2
′′
′
n − m 2
n2 − m2
m 2  mn  n 2
 2
.
Luego: S ′  S 
2
2
2
S
S
m  mn  n
m  mn  n 2
m  n
n − m 2
S.
Por tanto: S ′′  2
m  mn  n 2
S ′2  a ′2  b ′2  c ′2  2 − 2a ′4  b ′4  c ′4  
203
G 8- Hallar el área del triángulo que tiene por vértices los pies de las bisectrices interiores del
triángulo ABC, cuyos lados son a, b y c.
Solución:
A
P
N
C
M
B
Se tienen las siguientes igualdades: S  S ABC , ∑  S MNP , S 1  S APN , S 2  S BPM , S 3  S CMN ,
bc
MC  ab , MB  ac , PA  bc , PB  ac , NC  aab
 c , NA  a  c ,
bc
ab
ab
bc
∑
S 1  BM  BP 
ac
 1 − S1 − S2 − S3 ,
. Se
∑  S − S1 − S2 − S3,
S
S
S
S
S
BC  BA
b  ca  b
obtienen expresiones análogas para S 2 y S 3 . De donde:
∑
ac
ab
bc
2abc
 1−
−
−

.
S
b  ca  b
a  cb  c
a  ba  c
a  bb  cc  a
2abc
S.
Por tanto el área pedida es: ∑ 
a  bb  cc  a
G 9- Se da un círculo O, un diámetro AOB, y una cuerda CD perpendicular al diámetro. Calcular el
área de los círculos inscritos en las cuatro regiones definidas en el círculo, sabiendo que AB  10 y
CD  6 (ver problema E 22)
Solución:
C
T
A
O’’
O’
N
S
E OM
B
D
CE 2  AE  EB, es decir, 9  AE10 − AE, AE  1, EB  9. Sean O y O ′ los centros de los
círculos inscritos en el semicírculo superior, sean T y S sus puntos de tangencia con O y sean sus
radios r ′  O ′ T  O ′ N  NE, y r ′′  O ′′ S  O ′′ M  ME. Se tiene OT  5, O ′ O  5 − r ′ ,
O ′ N  r ′ , EO  AO − AE  4. Luego en el triángulo OO ′ N, se tiene 5 − r ′  2  r ′2  r ′  4 2 , de
donde r ′  3 10 − 9. Se tiene OS  5, OO ′′  5 − r ′′ , O ′′ M  r ′′ , EO  AO − AE  4,
OM  r ′′ − 4. En el triángulo OO ′′ M, se tiene 5 − r ′′  2  r ′′2  r ′′ − 4 2 , de donde r ′′  10 − 1.
2
Por tanto el área del círculo O ′ es:  3 10 − 9  9 19 − 6 10 . Y el área del círculo O ′′ es:
2
 10 − 1   11 − 2 10 .
G 10- Calcular el área de un cuadrilátero ABCD circunscrito a una circunferencia de radio 5, sabiendo
que los ángulos A y C son rectos, y que la diagonal BD  15.
204
Solución:
A
M
O
D
B
C
Sea S el área pedida, p el semiperímetro del cuadrilátero, a  AD, b  AB, r el radio OM, se tiene:
2
p  a  b, S  pr  5p  ab, a 2  b 2  225  a  b 2 − 2ab  p 2 − 2S  S − 2S  225.
25
De donde S  25 1  10 .
G 11- Hallar el lado y el área del dodecágono estrellado
Solución:
M
a
b
O
A
c
P
N
En el triángulo rectángulo MNP, se tiene MN  2R, NP  l 12 , lado del dodecágono regular
convexo que mide R 2 − 3 , y MP  l ′12 , lado del dodecágono estrellado.
R 6  2
. En el paralelogramo OaAc, se tiene: aOc  30º,
Luego, l ′12  4R 2 − l 212 
2
R 2− 3
aOb  15º,
tan 15º  ab  2  ab ,
ab  R tan 15º 
.
Por
tanto,
R
2
2
Ob
R2 2 − 3
, y el área del dodecágono estrellado es: S ′12  24  S OaA  6R 2 2 − 3 .
S OaA 
4
G 12- Dividir un trapecio en dos partes equivalentes por una recta paralela a las bases
Solución:
O
N
T
M
R
P
K
U
S
Q
Sea el trapecio NPQM. Se prolongan sus lados oblicuos hasta su intersección en O. teniéndose que
B  MQ, b  NP, H  OS, h  OR. Luego S OMQ  k  OS 2  k  H 2 , S ONP  k  OR 2  k  h 2 ,
2
2
S OTU  k  OK 2 . Como S OMQ − S OTU  S OTU − S ONP , se tiene OK  H  h , o bien
2
2
2
TU  B  b .
2
205
G 13- La base menor y los lados no paralelos de un trapecio isósceles, son tangentes a un semicírculo
de radio a, cuyo centro es el punto medio de la base mayor. Hallar en función de los ángulos del
trapecio, su área, y calcular dichos ángulos en el caso en que el trapecio sea equivalente a un
cuadrado de lado 2a.
Solución:
D
C
B
A
O
El área del trapecio es el doble del área del cuadrilátero OACD. Luego, siendo   OAB, su área es
a 2 tan 
2
a
1  2 tan  . Para S  4a 2 , se
2  a2
4
S  2  S OBA  4  S OCB  2 
tan 
2 tan 
2
2
tiene la ecuación 3 tan 2  − 8 tan   1  0, cuyas raíces dan  1  14º58 ′ 51 ′′ y  2  43º03 ′ 17 ′′ .
2
2
Los correspondientes valores del ángulo C son los suplementarios del ángulo A.
G 14- Calcular el área del triángulo formado por los exincentros de un triángulo ABC, en función de
los lados a, b y c, de este.
Solución:
Oc
A
Ob
B
C
Oa
pedida es ∑  S ABC  S BCO a  S CAO b  S ABO c  S ABC  a  r a  b  r b  c  r c 
2
2
2
a

S
b

S
c

S
a
b
c
ABC
ABC
ABC
 S ABC 


 S ABC 1 



2p − a
2p − b
2p − c
2p − a
2p − b
2p − c
a
b
c


, donde p es el semiperímetro
 pp − ap − bp − c 1 
2p − a
2p − b
2p − c
a  b  c del ABC.
2
El
área
206
G 15- Si se hace rodar sobre una recta un polígono regular de n lados, determinar el camino recorrido
por cada vértice durante una revolución completa y calcular la suma de las áreas de los sectores
circulares barridos por los radios de giro de cada vértice.
Solución: Siendo R el radio del círculo circunscrito, el lado es l  2R sin 
n , y la diagonal
j  1
. Luego el recorrido de un vértice es:
d j  2R sin
n
n−1
  sin 2 . . .  sin n − 1  4R S, siendo S ∑ sin j 
2R
sin
2
n
n
n
n
n
n
j1
n− 1 
2
− cos 
cos
n
2n . Por tanto el recorrido es:

−2 sin 
2n
n− 1 
2
cos
− cos 
cos  − cos  − 
n
4R 
2n  2R
2n
2n
n
n


−2 sin
sin
2n
2n
El área pedida es:
4R 2
n
2 
2 2
sin n  sin n . . .  sin
 R
n
2n − 1 −
− sin 
n
sin 
n
2
2 n − 1
2n − 1
2n − 1 − sin
n
4
2 sin 
n
2
 4R
n
n
 2R
n 
2 cos 
2n 

sin
2n

 2R 2 .
n−1
n−1
ji
j
j
Nota: Para calcular S  ∑ sin n , se le suma iC  i ∑ cos n , obteniéndose S  iC  ∑ e n .
j1
j1
Calculada esta suma, se separa la parte real y la imaginaria (ver como ejemplo el problema O 23 de
mi libro Problemas de Matemáticas).
G 16- Dadas las áreas a y A de dos polígonos regulares semejantes, uno inscrito y el otro circunscrito a
un mismo círculo, hallar las áreas a ′ y A ′ de los polígonos regulares, inscrito y circunscrito al
mismo círculo, de doble número de lados.
Solución:
O
E
F
A
C
G
D
B
I
H

 , A  nR 2 sin n , se tiene que: a ′  nR 2 sin   aA ,
Siendo a  nR 2 sin 
cos
n
n
n
cos 
n
1− a
2A a
A

a
a
2Aa .
′
2 tan
 2A

A − a 
A A
A−a
A−a 1 a
A−a
2n
a  Aa
A
207
G 17- Calcular en función del radio, el área de la parte común de los cuadrados inscritos en un sector
de 60º y en el segmento correspondiente.
Solución:
B
D
F
l
G
O
n
q
h
i j
k
m
p
E
C
A
El cuadrado inscrito en el sector es CDEF, el inscrito en el segmento es klpq, siendo la parte
a
común klmn. De las igualdades CD  2a,
kl  2b,
OG 
 a 3,
tan 30º
2
2
2
2
OF  R  Oi  iF 
R 2− 3
R 3
se
obtiene:
a
,
Oh  R cos 30º 
,
 OG  2a 2  a 2 ,
2
2
2
2
2
2
2
2
Oq  R  Oj  jq   Oh  2b  b , donde j es el punto medio de la cuerda pq. Luego
R 2 3 − 3
R 17 − 2 3
R 3
b
, hi  OG  Gi − Oh  a 3  2a −

. Por
10
2
2
tanto, el área pedida es:
17 − 2 3
2 3 − 3
2
2b  hi  2R 2
 R
17 − 2 3
6  2 −2 3 .
20
20
G 18- Calcular uno de los lados de un dodecágono semirregular equiángulo inscrito en una
circunferencia de radio 3, midiendo el otro lado 1, y hallar su área.
Solución:
A
O
B
C
De las igualdades OA  3, AB  x, BC  1, AOB  , BOC  , AOC  60º, sin   x ,
2
6


−
3
35
 1 , sin 30º −
 sin  , se obtiene x  BC 
. El área pedida es igual a
sin
2
6
2
2
2
208
6S AOB  S BOC .
S AOB 
35 − 3
4
Como
32 −
35 − 3
4
2

35 − 3
8
53  105
2
y
35
, el área pedida es:
S BOC  1 3 2 − 1 
4
2
4
35 − 3 53  105
35
6

 3 17 3  35 .
4
8
2
4
G 19- Dos octógonos regulares convexos están colocados de modo que coinciden sus centros y que
cada lado de uno de ellos tiene su correspondiente lado paralelo en el otro. Trazando dos ejes de
simetría perpendiculares entre sí, comunes a ambos polígonos, pasando cada uno de ellos por los
puntos medios de los lados, se comprueba que en uno de los octógonos, la suma de las distancias
desde un vértice cualquiera a los dos ejes de simetría trazados, es constante e igual a 3, mientras
que en el otro octógono la diferencia de distancias a los ejes citados, es constante e igual a 3. Con
estos datos, hallar el área de la superficie comprendida entre los dos polígonos.
Solución:
X
D
F
A
C
E
B
O
Y
Sean los ejes de simetría OX y OY. En el octógono menor, sea el lado AB  x y la apotema
a  OC. En el octógono mayor, el lado DE  y, siendo la apotema b  OF. Se tiene, en el menor,
y
a  x  3. Y en el mayor, b −
 3. Siendo x  2a 2 − 1 , y  2b 2 − 1 , se obtiene:
2
2
3 2 2
8yb
. Luego el área pedida es
− 8xa  72.
a  3 ,b 
2
2
2
2
G 20- En una circunferencia de radio R se considera un diámetro CD y una de las cuerdas AB
perpendicular a él. Calcular el máximo de la diferencia de las áreas de los dos triángulos que tienen
la cuerda por base, y por vértices los extremos del diámetro, y calcular esta diferencia para el caso
en que R  2 58 .
Solución:
A
C
D
O
B
Los triángulos son ABC y ABD. Siendo AB  2a, se tiene S ABC  a R  R 2 − a 2
y
S ABD  a R − R 2 − a 2 . La diferencia de las áreas es Δ  2a R 2 − a 2 , de donde
R2  R4 − Δ2
. El mayor valor que puede tomar Δ
2
corresponde a: R 4 − Δ 2  0. Es decir, Δ  R 2 . Para R  2 58 , Δ  232.
4a 4 − 4R 2 a 2  Δ 2  0, luego a 2 
209
G 21- En una semicircunferencia de radio R, se traza el radio OC perpendicular al diámetro AB. Se
inscribe en uno de los cuadrantes, la circunferencia O 1 . Desde el otro extremo A del diámetro, se
traza una tangente a esta circunferencia y en el ángulo que se forma, se inscribe una nueva
circunferencia O 2 , tangente al radio OC. Hallar el área del triángulo que se forma uniendo los
centros de estas dos circunferencias entre sí y con C, extremo del radio perpendicular.
Solución:
C
O1
O2
A
E
O
B
D
En el triángulo rectángulo OO 1 D, se tiene R − r 1  2  r 21  r 21 , de donde el radio r 1 de O 1 es
R 2 − 1 . En los triángulos semejantes AO 2 E y AO 1 D, se tiene, siendo r 2 el radio de O 2 :
r 2  AE  R − 2 , de donde r  3 − 2 R.
2
r1
R  r1
7
AD
2
2
Como O 1 C  R − r 1   r 1  R 9 − 6 2  0, 717439R,
O2C 
R − r 2  2  r 22 
se tiene: O 1 O 2 
R 29  2 2
7
 0, 805953R,
4R 20 − 13 2
 0, 726237R.
7
pp − ap − bp − c , se obtiene S  0, 241321R 2 .
r 1  r 2  2  r 1 − r 2  2 
Aplicando la fórmula S 
G 22- Dada una circunferencia de radio R y una tangente paralela al diámetro MN, se toma sobre este
y en sentidos opuestos, dos longitudes OS y OS ′ . Por S y S ′ se trazan las tangentes que encuentran
en A y en A ′ , respectivamente, a la tangente paralela a MN. Calcular en función de R y de los
ángulos   OSA y   OS ′ A ′ , la superficie del trapecio ASS ′ A ′ .
Solución:
A
A’
T’
T
S
M
H
O
H’
N
S’
Los triángulos rectángulos OST y SAH son iguales, luego OS  SA (análogamente OS ′  S ′ A ′ ).
Siendo OS  a y OS ′  b, se tiene que AA ′  a  b − a cos  − b cos . La superficie pedida es:
AH  AA ′  SS ′ 
a cos   b cos 
 R ab
. Como R  a sin   b sin , se tiene que:
S
2
2
2
2 − cos   2 − cos  .
S R
sin 
sin 
2
210
G 23- Se da un triángulo equilátero ABC de lado 8 3 . Se traza la altura referente al vértice B, y se
toma sobre ella y a partir del punto P de intersección con AC y hacia el exterior, una magnitud
PD  4. Se une D con E (punto medio de BC), y la recta DE corta al lado AC en M. Se define una
homología en la que el punto C es el centro, DB el eje, y A es un punto de la recta límite de la
primera figura. 1º) Hallar el homológico del cuadrilátero BEMP. 2º) Hallar el área común a los dos
cuadriláteros homológicos BEMP y B ′ E ′ M ′ P ′ . 3º) Realizar la comprobación analítica.
Solución:
Y A’∞
A
O
B
P
D
M
M’
E
E’
X
C
1º) El homólogo de A es A ′ . La recta AE corta al eje en O. La paralela por O a AC, define el punto
E ′ sobre BC. La recta DE ′ corta en M ′ a AC. BO  R  8. BP 2  64  3 − 16  3  144, luego
BP  12. PD  4. Como B ′ ≡ B y P ′ ≡ P, el cuadrilátero homológico B ′ E ′ M ′ P ′ ya está
determinado. 2º) El área pedida coincide con la del cuadrilátero BEMP  S BDE − S PDM . Cortando el
triángulo BPC por la transversal DE, se tiene: DP  EB  MC  1. Y como EB  EC y
DB EC MP
4 3
DP  4  1 ,
MC  4  MP,
MP  PC 
.
Por
tanto,
5
DB
5
16
4
S  1 BD  BE  sin PBC − 1 MP  MD 
2
2
4 3
72 3
1
 16  4 3 sin 30º − 4 

 24, 94. 3º) La ecuación de la homología es:
5
5
2
′
′
′
y
x 
t
′
′
′
x
y  ax  by  ct . El eje es x  x, y  y, luego ax  by  ct  t . Es decir:
ax  by  c − 1 ≡ y − 4 3 . De donde a  0, c − 1  −4 3 , c  −4 3 b  1. Como la recta
b
c  −8 3 ,
límite de la primera figura es by  ct  y − 8 3  0, se obtiene
b
− 3
− 3
−8 3 b  −4 3 b  1, b  −1 
, c  −8 3 
 2. Por tanto, la ecuación de la
12
12
4 3
homología es:
′
y
x′  y 
1
x
. De donde x ′ 
, y′ 
. Las coordenadas de
x
y
− 3
− 3
− 3
y2
y2
y2
12
10
10
16 3
, P 0, 4 3 .
los vértices del cuadrilátero BEMP son: B−12, 4 3 , E −6, 2 3 , M 0,
5
4 3
,
Aplicando la ecuación de la homología, se obtiene: B ′ −12, 4 3 , E ′ −4,
3
8 3
, P ′ 0, 4 3 . Siendo las coordenadas de D 4, 4 3 , la superficie buscada es:
M ′ 0,
3
0
−12 4 3 1
S BEMP  S BED − S PMD  1
2
−6
2 3 1
4
4 3 1
− 1
2
0
4
211
4 3
16 3
5
4 3
1
1
1

72 3
.
5
212
Problemas de Geometría del Espacio
Sección H - LUGARES GEOMÉTRICOS
H 1- Se da una circunferencia C y un punto O fuera de su plano. Hallar el lugar geométrico de los
puntos que dividen en una relación dada, a los segmentos limitados por el punto O y los puntos de
la circunferencia.
Solución:
O
M
A
C
P
N
B
Se corta el cono formado por el punto O y la circunferencia C, por un plano que pasa por la recta
OC, siendo C el centro de la circunferencia dada. Dicho plano corta a la circunferencia según un
diámetro AB. Se tiene OM  OP  ON  k, luego los puntos M, P y N están sobre un plano
OA
OC
OB
paralelo al dado en el que se encuentra la circunferencia dada. Como PM  PN , siendo
CB
CA
CA  CB, se tiene que PM  PN, luego el lugar geométrico pedido es una circunferencia de centro
P y radio PM, situada en un plano paralelo al dado. La relación de distancias de O a ambos planos,
es la relación dada.
H 2- Hallar el lugar geométrico de los puntos P de un plano, desde los que se ve bajo un ángulo recto,
un segmento de recta AB no situado en dicho plano.
Solución: El lugar geométrico de los puntos desde los que se ve el segmento dado bajo un ángulo
recto, es una esfera de centro O, punto medio de AB, y radio OA  OB. Al estar el punto P en un
plano dado, el lugar geométrico pedido es la circunferencia intersección de la esfera anterior por el
citado plano. Si el plano es tangente a la esfera, el lugar es el punto de tangencia. Y si el plano no
corta a la esfera, no existe el lugar pedido.
H 3- Hallar el lugar geométrico de los puntos cuya suma de distancias a dos planos dados, es
constante.
Solución:
A
A
Q
C
P
O
P’
B
O
B
Sean P y P ′ los planos dados. Trabajando en el plano Q, perpendicular a los dos dados, el lugar
geométrico (figura de la derecha), es una recta AB perpendicular a la bisectriz OC del ángulo
intersección de los tres planos. Luego el lugar geométrico pedido es un plano perpendicular al
plano bisector del diedro formado por los dos planos dados.
213
H 4- Se dan sobre un plano P, dos puntos A y B, y se da un punto O exterior a dicho plano. Hallar el
lugar geométrico de las rectas OD intersección de los dos planos M y N, que pasando
respectivamente por OA y OB, cortan al plano P según dos rectas paralelas.
Solución:
D
O
P’
Q
N
M
A
P
B
Las rectas intersección OD de los dos planos M y N con el plano P ′ , paralelo al P pasando por O,
están situadas en dicho plano P ′ , luego el lugar pedido es este plano P ′ .
H 5- Hallar el lugar geométrico de los puntos de un plano, tales que las rectas que los unen a dos
puntos dados A y B exteriores a dicho plano, están igualmente inclinadas con relación al citado
plano.
Solución:
B
A
B1
A1
M2
M
A1
M1
B1
Sean A 1 y B 1 las proyecciones de A y B sobre el plano dado, siendo a y b sus cotas AA 1 y BB 1 .
Siendo M un punto del lugar, los triángulos AMA 1 y BMB 1 son semejantes, luego A 1 M  a , por
B1M
b
lo que en el plano dado el lugar es una circunferencia de diámetro M 1 M 2 , siendo estos puntos los
que dividen el segmento A 1 B 1 en la relación a .
b
H 6- Dado un ángulo recto AOB, que tiene el lado OA paralelo a un plano P dado, hallar el lugar
geométrico de los puntos S, tales que los planos SOA y SOB cortan al plano P según dos rectas
perpendiculares.
Solución:
B
O
S
A
O’
P
Q
Q’
El lado OB está en el plano perpendicular a OA por O. Cualquier plano SOA corta al plano P según
una paralela a OA. El plano SOB corta al plano P según una recta perpendicular a QQ ′ , es decir
paralela a O ′ Q. Luego S debe estar sobre el plano perpendicular a OA en O, que es su lugar
geométrico.
H 7- Por dos rectas fijas r y r ′ del espacio, se hacen pasar planos perpendiculares entre sí. Hallar el
lugar geométrico de los puntos en que la recta intersección de estos planos, corta a un plano fijo
perpendicular a una de las rectas dadas.
214
Solución:
m
r
r’
P
Sea m la perpendicular común a r y r ′ . La recta intersección de dichos planos perpendiculares entre
sí, forma una superficie cilíndrica, pues un punto de ella que esté en el plano perpendicular a r y r ′
conteniendo a m, está en el arco capaz de 90º sobre m. Luego el lugar pedido es la intersección de
la superficie cilíndrica con el plano dado P. Como este plano es perpendicular a una de las dos
rectas dadas, la intersección es una circunferencia.
H 8- Hallar el lugar geométrico de los puntos del espacio que equidistan de dos rectas concurrentes.
Solución:
w’
r
r’
w
P
En el plano P formado por las dos rectas r y r ′ , se trazan las bisectrices w y w ′ . Levantando por w
y w ′ planos perpendiculares al formado por r y r ′ , se obtiene el lugar pedido.
H 9- Hallar el lugar geométrico de las rectas que, pasando por un punto dado, forman ángulos iguales
con dos rectas no coplanarias.
Solución: Se trazan los dos planos que pasando por cada recta, pasan por el punto dado. El lugar
geométrico pedido lo forman los planos bisectores de estos dos.
H 10- Hallar el lugar geométrico del punto medio de un segmento AB de longitud constante cuyos
extremos se deslizan por dos rectas ortogonales a y b que se cruzan.
Solución:
M
B
b
O
C
a’
D
A
N
a
E
b’
H
MN es la perpendicular común de a y b, cuyo punto medio es O. Trazando por N la paralela b ′ a b,
se tiene el plano ANH, siendo H la proyección de B sobre este plano. El plano paralelo al ANH por
O, contiene a C y a D, puntos medios de AB y BH. Siendo BHA  90º, se tiene
HA 2  AB 2 − BH 2  AB 2 − MN 2 , por lo que HA es constante. En el triángulo ANH, el punto E,
proyección de C, es punto medio de HA, luego NE  HA , describiendo E la circunferencia de
2
centro N y radio NE. Por tanto C describe una circunferencia de centro O y radio OC  NE,
situada en el plano perpendicular a MN en su punto medio O.
215
H 11- Hallar el lugar geométrico de los puntos medios de los segmentos que son paralelos a un plano
dado, y cuyos extremos se deslizan sobre dos rectas que se cruzan.
Solución: Sea P el plano dado, y a y b las rectas dadas. Un plano P, paralelo al dado, corta a a en
A, y a b en B, siendo M el punto medio de AB. Por M se trazan las paralelas a ′ y b ′ a las rectas
dadas. El plano P ′ , paralelo al dado, corta a las rectas dadas en A ′ , B ′ y a dichas paralelas en A ′1 y
B ′1 . El punto M ′ es el punto medio de A ′ B ′ , y como A ′ A ′1  AM, y B ′ B ′1  BM, resulta que M ′ es el
punto medio de A ′1 B ′1 . Luego el lugar pedido es una recta situada en el plano formado por las rectas
a′ y b′.
H 12- Hallar el lugar geométrico de los baricentros de los triángulos que resultan al cortar tres rectas
que se cruzan dos a dos, por un plano paralelo a uno dado.
Solución:
r’
A
G
D
C
r’’
r1
R
r’’’
B
Sea un plano paralelo al dado, que corta a las rectas dadas r ′ , r ′′ y r ′′′ , en A, B y C. El lugar
geométrico del punto medio D de los segmentos paralelos a BC, que se apoyan en r ′′ y r ′′′ , es la
recta r 1 (ver el problema H 11). El lugar geométrico de los puntos G, de los segmentos paralelos a
AD, que se apoyan en las rectas r ′ y r 1 , de forma que GA  2, es la recta R.
GD
H 13- Se dan dos rectas r y r ′ que se cruzan. La primera pasa por el punto A, y la segunda por el B,
siendo estos dos puntos diametralmente opuestos en un círculo O dado. Hallar el lugar geométrico
de los puntos de intersección con un plano paralelo al plano del círculo dado O, de las rectas que se
apoyan en las dos rectas dadas y en la circunferencia.
Solución:
M
N
r’
r
O
A
B
C
P
A’
B’
C’
Sea P el plano paralelo al de O. La recta r que pasa por A, corta a P en A ′ . La recta r ′ que pasa por
B, corta a P en B ′ . Sea la recta MNC, que corta en M a r, en N a r ′ , y en C a O, y que corta a P en
C ′ . Las rectas AC y BC son perpendiculares, luego las rectas A ′ C ′ y C ′ B ′ también lo son, por lo
que C ′ describe una circunferencia situada en el plano P, de diámetro A ′ B ′ .
H 14- Hallar el lugar geométrico de los vértices de los triedros trirrectángulos cuyas aristas son
tangentes a una esfera dada de radio R.
Solución:
A
T’
O’
M
O’’’
O
T’’’
C
T’’
O’’
216
B
Sea el triedro trirrectángulo OABC. Sus caras cortan a la esfera según los círculos de centros O ′ ,
O ′′ y O ′′′ , tangentes entre sí dos a dos. El centro de la esfera dada se encuentra en la intersección M
de las tres perpendiculares a las caras del triedro, levantadas por O ′ , O ′′ y O ′′′ . Como en el cubo
T ′ O ′ MO ′′′ T ′′′ OT ′′ O ′′ , la diagonal MT ′ de la cara es R, la diagonal OM del cubo es constante e igual
R 6
R 6
. Por tanto, el lugar pedido es una esfera concéntrica con la dada y cuyo radio es
.
a
2
2
H 15- Hallar el lugar geométrico de las rectas del espacio que pasando por un punto fijo, las
proyecciones sobre ellas de dos segmentos dados de una manera cualquiera en el espacio, sean
iguales en magnitud.
Solución:
O
A
H
B
Se trazan por el punto dado O, las paralelas OA y OB a los segmentos dados, siendo OA y OB las
magnitudes de dichos segmentos. En el plano definido por estas dos rectas, se tiene el triángulo
OAB, en el que OH es la altura sobre AB. Las proyecciones de OA y OB sobre OH son iguales a
OH. Luego el lugar pedido es el plano perpendicular al OAB trazado por OH.
H 16- Se consideran dos planos perpendiculares H y V, y su intersección XY. 1º) Demostrar que existe
una infinidad de planos P que cortan a los dos dados, según dos rectas perpendiculares, y
determinar su posición. 2º) Probar que por cualquier recta R del espacio, pasan en general dos
planos P. Determinar las posiciones de R para que los correspondientes planos P sean solamente
uno, ninguno o infinitos. 3º) Se consideran todas las rectas del espacio que pasan por un punto fijo
A, y todos los planos P que las contienen. Desde un punto B cualquiera de la recta XY, se trazan las
perpendiculares a estos planos. Hallar el lugar geométrico de estas perpendiculares, y el lugar
geométrico de sus intersecciones con los correspondientes planos P.
Solución:
V
Q
Y
S
M
T
N
H
X
1º) Sea M un punto de XY. En el plano H se traza MN perpendicular a XY. Cualquier recta MS
situada en el plano V es perpendicular a MN. Por tanto, el plano determinado por MN y por MS,
cumple las condiciones de ser un plano P. Todo plano que contiene a MN es un plano P, luego son
infinitos. 2º) Sean Q y N las intersecciones de R con los planos H y V. Siendo NM y QT las
perpendiculares a XY por N y Q, respectivamente, se determinan dos planos P, el NQT y el QNM,
siempre que QN se cruce oblicuamente con XY. Si QN es perpendicular a XY, sin ser paralela a H o
a V, solo hay un plano P. Si QN es paralela a H o a V, hay infinitos planos P. Si QN es paralela a
XY, no hay ningún plano P. 3º) Siendo A y B fijos, el lugar de las proyecciones de B sobre los
planos P que pasan por A, es la esfera de diámetro AB.
H 17- Hallar el lugar geométrico de los centros de homotecia de relación k dada, y tales que la
homotética de una recta encuentre siempre a una circunferencia dada en el espacio.
Solución: Siendo r la recta dada, y C el círculo dado, todas las rectas homotéticas de r forman un
cilindro Q, de directriz C y generatrices paralelas a r. El lugar pedido es un cilindro semejante al
Q.
217
H 18- Se da un cuadrilátero convexo ABCD, base de una pirámide de vértice V, siendo O el punto de
intersección de sus diagonales. Hallar el lugar geométrico de V, para que los planos
perpendiculares a VO, corten a la pirámide según paralelogramos.
Solución:
V
M
H
N
B
A
C
O
D
Sea V un vértice buscado. Los planos que dan como sección un paralelogramo, son paralelos al
plano VMN (M y N son las intersecciones de los lados opuestos del cuadrilátero). Para que además
sean perpendiculares a VO, se cumple que OVN  OVM  90º. Por tanto, V pertenece al círculo
de intersección de las esferas de diámetros OM y ON, o sea el círculo de diámetro OH y plano
perpendicular al de la base (H es la intersección de la diagonal DB con MN).
H 19- En una esfera de centro O y radio R, se da un radio OB y su punto medio A. Hallar el lugar
geométrico de los puntos medios E de las cuerdas CD de la esfera que se ven desde A bajo ángulo
recto.
Solución:
C
E
H
D
O
F A
B
Resolviendo el problema en un plano diametral de la esfera que contenga el radio OB, se tiene:
CAD  90º,
EC  ED  AE  R. Siendo OE la mediatriz de CD, se tiene
OD 2  OE 2  ED 2  OE 2  EA 2  R 2 . Luego en dicho plano, el lugar geométrico de E es una
circunferencia de centro F, punto medio de OA, siendo su radio r tal que
2
2
R 7
2r 2  R 2 − 2 R
 7R , es decir r 
. Por tanto, generalizando el problema, el lugar
8
4
4
R 7
pedido es una esfera de centro F, punto medio de OA, y radio
.
4
H 20- Se dan dos rectas en el espacio XX ′ , YY ′ , siendo su perpendicular común AB (A sobre XX ′ , B
sobre YY ′ ). Se elige un sentido sobre cada recta, tomándose A y B como orígenes de abscisas en sus
respectivas rectas. 1º) Se toma sobre XX ′ un punto M, y sobre YY ′ un punto N, de forma que
AM  BN  x, y se hace variar x de − a . Hallar el lugar geométrico del punto medio O de
MN. b) Demostrar que AN  BM, y que MN forma ángulos iguales con XX ′ e YY ′ . c) Hallar el
lugar geométrico de la recta intersección del plano que pasando por M es perpendicular a XX ′ , con
el plano que pasando por N es perpendicular a YY ′ . 2º) En el caso en que XX ′ e YY ′ sean
ortogonales, que AB  a, y que los puntos M y N se desplazan de forma que la distancia MN es
constante e igual a h, a) Demostrar que AM 2  BN 2 permanece constante cuando varía x. b)
Demostrar que las longitudes de los segmentos que unen los puntos medios de las aristas opuestas
del tetraedro ABMN, son constantes, y hallar su valor en función de a y h. c) Demostrar que A y B
están sobre la esfera de diámetro MN, y hallar el lugar geométrico de los centros de estas esferas.
Solución: 1º) a): Se trazan por O ′ , punto medio de AB, las paralelas a XX ′ e YY ′ . Sobre estas
paralelas se llevan las distancias O ′ M ′  O ′ N ′  x, encontrándose O en el punto medio de M ′ N ′ .
En el triángulo isósceles O ′ M ′ N ′ , el punto O está sobre la bisectriz del ángulo M ′ O ′ N ′ , que es el
218
lugar pedido. b) AN 2  AB 2  BN 2 , BM 2  AB 2  AM 2  AB 2  BN 2  AN 2 , luego AN  BM.
Los triángulos rectángulos ABM y ABN son iguales, luego MN, XX ′  MN, YY ′ . c) Trazando por O
las paralelas a XX ′ e YY ′ , la recta intersección de los planos definidos, describe el plano
perpendicular al formado por dichas paralelas, cortando a este plano en la bisectriz del ángulo
formado por estas paralelas. 2º) a) AM 2  AB 2  BN 2  h 2 , luego AM 2  BN 2  h 2 − a 2 , que es
constante. b) El segmento que une los puntos medios de AB y MN, mide
AM 2  BN 2
h2 − a2

, que es constante. El segmento que une los puntos medios de AM y
2
2
2
2
AM 2  BN 2  a 2  h  3a ,
BN,
es
igual
a
constante.
c)
4
2
AM 2  AN 2  AM 2  AB 2  BN 2  MN 2 , luego MAN  90º. Análogamente MBN  90º. Por tanto
A y B están sobre la esfera de diámetro MN. El segmento que une A con el punto medio de MN,
mide h . Además el punto medio de MN está en el plano perpendicular a AB trazado por su punto
2
medio, por lo que este punto medio está en la intersección de dicho plano con la esfera de centro A
y radio h , siendo su lugar geométrico un círculo.
2
H 21- Se da un ángulo XOY y dos puntos A y B situados en OY. Probar que existe una infinidad de
esferas que pasan por A y B, siendo tangentes a OX. Hallar el lugar geométrico de los centros de
estas esferas. Determinar la distancia al plano XOY de aquellas esferas cuyo radio es igual a R.
Solución:
A
P
Y
B
C
O
T
C
B
X
Por pasar por A y B, el centro de las esferas está sobre el plano mediatriz de AB. El punto T de
tangencia con OX, está definido por ser OT 2  OA  OB, luego el centro de la esfera está sobre el
plano perpendicular a OX por T. La recta intersección de ambos planos es el lugar geométrico del
centro de dichas esferas, siendo esta recta perpendicular al plano XOY. En la figura se ha
representado la sección de la esfera por el plano XOY, según un círculo de centro C y radio
r  CA  CB  CT. El centro P de la esfera (figura de la derecha) está a una distancia de XOY
igual a PC  R 2 − r 2 .
H 22- Un triedro OXYZ tiene sus aristas OX y OY fijas, y sus caras XOZ e YOZ variables, pero
suplementarias. Hallar el lugar geométrico de la arista OZ.
Solución:
Z
Y’
O
X’
X
Y
Z’
Se traza una esfera de centro O, que corta a las aristas en X, Y y Z. La esfera está representada en la
figura, por sus círculos máximos ZXZ ′ X ′ Z, XYX ′ Y ′ X y ZY ′ Z ′ YZ. Se tiene: arco ZX  arco
ZY    arco XZX ′  arco XZ  arco ZX ′ . Luego arco ZY  arco ZX ′ , siendo isósceles el
triángulo esférico YZX ′ . Luego el lugar geométrico de Z es el círculo máximo cuyo plano es
perpendicular al diámetro determinado por el punto medio del arco XY. El lugar geométrico de OZ
es ese plano perpendicular.
219
H 23- Los puntos A y B describen respectivamente dos rectas dadas no concurrentes, r ′ y r ′′ , de
manera que la recta AB permanece paralela a un plano dado. Encontrar el lugar geométrico de los
puntos que dividen a AB según una relación dada.
Solución: Para un determinado plano P, paralelo al dado, es M el punto que divide AB según la
relación dada. Por M se trazan las paralelas r ′1 y r ′′1 a las rectas dadas. El plano P ′ , paralelo al dado,
corta a las rectas dadas en A ′ y B ′ , y a las paralelas en A ′1 y B ′1 . El punto M ′ divide a A ′ B ′ en la
relación dada, y como A ′ A ′1  AM y B ′ B ′1  BM, resulta que A ′1 B ′1 está dividido por M ′ en la
relación dada. Luego el lugar pedido es una recta situada en el plano formado por las rectas r ′1 y r ′′1 .
H 24- Se dan dos planos paralelos P y P ′ . En P se da un segmento OA  a, y en P ′ se da otro
segmento O ′ A ′  a ′ . Estos segmentos son ortogonales y giran cada uno en su plano alrededor de O
y O ′ , manteniendo su ortogonalidad. Hallar el lugar geométrico de M, punto medio de AA ′ .
Solución:
O
A
P
M
O’’
P’’
A’
O’
M1
A1
P’
La recta OO ′ corta al plano P ′′ , paralelo medio de P y P ′ , en O ′′ . El punto M ha de estar en P ′′ . Se
traslada el plano P paralelamente a OO ′ , de forma que coincida con el plano P ′ . El punto A se sitúa
en A 1 , proyección de A. La proyección de M según la misma dirección OO ′ , es M 1 , punto medio de
A ′ A 1 . Luego el lugar geométrico de M 1 es una circunferencia de centro O ′ y radio
a 2  a ′2
. Llevando M 1 al plano P ′′ , su lugar geométrico es una circunferencia situada
OM 1 
2
a 2  a ′2
en dicho plano, de centro O ′′ y radio
.
2
220
Sección I - PLANOS - DIEDROS
I 1- Demostrar que la condición necesaria y suficiente para que un plano sea perpendicular a una recta,
es que contenga dos rectas no paralelas, perpendiculares a ella.
Solución: La condición es suficiente, puesto que para que una recta sea perpendicular a un plano
basta que lo sea a dos rectas no paralelas situadas en el plano (o paralelas al plano), luego si el
plano contiene dos rectas no paralelas, perpendiculares a la recta, esta es perpendicular al plano. La
condición es necesaria, pues si la recta no fuera perpendicular a dos rectas no paralelas del plano,
no lo sería a todas.
I 2- Realizar los siguientes ejercicios: a) Trazar por un punto una recta paralela a un plano. b) Trazar
por un punto un plano paralelo a otro plano. c) Trazar por un punto una recta paralela a dos planos.
d) Trazar por un punto un plano paralelo a dos rectas. e) Trazar por una recta, un plano paralelo a
otra recta. f) Trazar por un punto una recta que se apoya en otras dos.
Solución: a) Se traza una recta cualquiera en el plano, y se traza el plano que pasa por esta recta y
por el punto. En este plano se traza por el punto una recta paralela a la anterior. Hay infinitas
soluciones. b) Se trazan por el punto dos rectas paralelas al plano, que definen el plano pedido. c)
Se traza la recta intersección de los dos planos, y por el punto se traza una recta paralela a ella. d)
Se trazan por el punto dos rectas paralelas a las dadas, que forman el plano pedido. e) Por un punto
cualquiera de la recta se traza una recta paralela a la otra. El plano definido es el pedido. f) Se
trazan los dos planos definidos por cada recta y el punto. La recta intersección de estos dos planos
es la solución.
I 3- Realizar los siguientes ejercicios: a) Trazar por un punto una recta paralela a un plano y que se
apoye en otra recta dada. b) Trazar una recta paralela a una dada y que se apoye en otras dos. c)
Trazar por un punto una perpendicular a un plano. d) Trazar por una recta un plano perpendicular a
otro plano. e) Trazar por un punto una recta perpendicular a dos rectas que se cruzan.
Solución: a) Se traza por el punto un plano paralelo al dado, que corta a la recta en un punto. La
recta que une este punto con el dado es la solución. b) Por un punto cualquiera de una de las dos
últimas rectas dadas, se traza una recta paralela a la primera dada. El plano formado corta a la
tercera recta en un punto que unido con el anterior da la solución. c) Se trazan en el plano dos
rectas que se cortan. Por el punto dado se trazan las paralelas a estas dos, que definen un plano
paralelo al dado. La recta intersección de los planos que pasando por estas dos últimas rectas, son
perpendiculares al plano dado, es la perpendicular pedida. d) Por un punto cualquiera de la recta se
traza una recta perpendicular al plano dado. El plano definido por las dos rectas es el pedido. e) Por
un punto cualquiera de una de las rectas, se traza el plano perpendicular a ella, que corta a la
segunda recta en un punto, por el que se traza el plano perpendicular a esta segunda recta. Los dos
planos se cortan según una recta perpendicular a ambas rectas dadas. La recta paralela a esta,
trazada por el punto dado, es la solución.
I 4- Se dan cuatro puntos A, B, C y D no coplanarios. Dibujar un plano que equidiste de los cuatro
puntos, hallando el número de soluciones.
Solución: Por tres de los puntos dados pasa un plano; el plano que equidista de este y del cuarto
punto, es una solución. Como se pueden elegir de cuatro maneras diferentes, los cuatro puntos de
tres en tres, existen cuatro soluciones de este tipo. Tomando de dos en dos, los cuatro puntos
dados, se pueden formar tres pares de rectas. Cada par de estas rectas tienen una perpendicular
común. El plano perpendicular a esta recta, trazado por su punto medio, representa una solución,
por lo que hay tres soluciones de esta clase. En total hay siete soluciones.
I 5- Se da un segmento AB y un plano Q que no contiene al segmento. Construir un triángulo
equilátero ABC, de forma que el vértice C sea un punto de Q.
Solución: Las esferas con centro en A y B, y radio AB, cortan al plano Q según dos circunferencias
que pueden ser tangentes (un punto C), secantes (dos puntos C), o no cortarse (ninguna solución).
221
I 6- Se da una circunferencia O, y un punto M exterior al plano P de la circunferencia. Hallar el mayor
y el menor segmento que unen M con un punto de la circunferencia.
Solución:
M
Q
O
A
B
P
Se traza por M el plano Q, perpendicular al P y pasando por el centro O de la circunferencia. Este
plano corta a la circunferencia según el diámetro AB. Los segmentos pedidos son MA (el mayor) y
MB (el menor).
I 7- Dado un plano P y un punto M exterior al plano, dibujar un plano que pasando por M, forme con
P un ángulo dado , y sea paralelo a una recta r que no es paralela al plano P.
Solución:
M
M’
A
P
B
Se traza por M la paralela MB a la recta r, siendo B el punto en que corta al plano P. Siendo M ′ la
proyección de M sobre P, el ángulo MBM ′   es conocido. Suponiendo que el plano buscado es
M ′ B  tan 
. Se traza en el plano P la
el MAM ′ , se tiene que MAM ′  , por lo que M ′ A 
tan 
′
′
circunferencia de centro M y radio M A, y por B se trazan las tangentes. Siendo BA una de ellas, el
plano MAB es solución del problema.
I 8- Se da un punto A y una recta r. Trazar por A un plano P, y por r un plano Q, de forma que los dos
planos sean paralelos y que disten entre sí una longitud dada m.
Solución: Con eje r y radio m, se traza una superficie cilíndrica. Desde A se le trazan los planos
tangentes. Por r se trazan los planos paralelos a los tangentes, que son las soluciones.
I 9- Se da un plano P, un punto M del plano, y una recta r exterior al plano. Trazar por M una recta
contenida en P, que sea perpendicular a r.
Solución: Se traza por M el plano Q perpendicular a r. La recta pedida es la intersección de P y
Q.
I 10- En un plano dado P, y por un punto M de él, trazar una recta que forme un ángulo dado con otro
plano Q dado.
Solución: Se traza por M la perpendicular a Q, que lo corta en N. Se construye un cono de vértice
M, eje MN, y cuyo ángulo en la base es igual al dado (el ángulo en el vértice es el complementario
de aquel). Las generatrices intersección del cono con P, son soluciones del problema.
222
I 11- Demostrar que cuando se proyecta ortogonalmente un ángulo AOB sobre un plano paralelo a su
bisectriz OC, la proyección es un ángulo cuya bisectriz es paralela a OC.
Solución: Se toma OA  OB, con lo que OC es perpendicular a AB. Las proyecciones O ′ C ′ y
A ′ B ′ , de OC y AB sobre un plano paralelo a OC, son perpendiculares entre sí, siendo C ′ A ′  C ′ B ′ ,
por lo que O ′ C ′ es la bisectriz de A ′ O ′ B ′ , y paralela a OC.
I 12- Trazar por un punto dado una recta que forme ángulos iguales con tres rectas que se cortan dos a
dos.
Solución: Se trazan por el punto dado las paralelas a las tres rectas dadas, que definen ocho
octantes que tienen cuatro bisectrices diferentes, que son las soluciones del problema.
I 13- Dados dos puntos A y B situados a un mismo lado de un plano P, hallar un punto M del plano tal
que la diferencia MA − MB sea máxima.
Solución: La recta AB corta a P en M, siendo MA − MB  AB. Para otro punto M ′ del plano, se
verifica en el triángulo M ′ AB, que M ′ A − M ′ B  AB. Luego la solución es el punto M de
intersección de AB con P.
I 14- En un cuadrilátero alabeado ABCD, se trazan las bisectrices interiores de los ángulos A y C, que
encuentran a BD en A ′ y C ′ , respectivamente, y las bisectrices interiores de los ángulos B y D, que
encuentran a AC en B ′ y D ′ , respectivamente. Demostrar que BDA ′ C ′   ACB ′ D ′ .
Solución:
D
C’ A’
A
B
B’ D’ C
′
′
′
′
′
′
′
′
Hay que demostrar que BA ′  DA ′  AB ′  CB ′ , es decir BA ′  DC ′  AB ′  CD ′ . Como
BC
DC
AD
CD
BC  DA
AD  CB
AB ′  BA , AD ′  DA , DA ′  AD y DC ′  CD , sustituyendo en la expresión anterior
BC D ′ C
DC A ′ B
AB
CB
B′C
C′B
AB

CD
BA

DC
estos valores, se tiene:

, con lo que queda demostrado.
AD  CB
BC  DA
I 15- Trazar un segmento de longitud a dada, paralelo a un plano P dado, y que se apoye en dos rectas
dadas r y r ′ , que se cruzan.
Solución: Las rectas r y r ′ cortan a P en los puntos A y A ′ . En AA ′ se toma un segmento
A ′ A ′′  a. Se traza la circunferencia en el plano P, de centro A ′ y radio A ′ A ′′  a. Se traza el
cilindro de directriz esa circunferencia y generatrices paralelas a r ′ . Este cilindro corta a r en B y
B ′ . Trazando por estos puntos, planos P ′ y P ′′ paralelos a P, estos planos cortan a r ′ en C y C ′ . Los
segmentos CB y C ′ B ′ son las soluciones.
I 16- Trazar por una recta dada r, un plano que esté inclinado un ángulo dado  con relación a un
plano P dado.
Solución: La recta r corta a P en A. Se toma otro punto B en r, que se proyecta en B ′ sobre P. Se
traza por B, en el plano BB ′ A, una recta BC que forme con BB ′ un ángulo 90º − , es decir que el
ángulo BAB′  , siendo C el punto en que corta a P. El lugar geométrico de los puntos de P que
unidos con B forman un ángulo  con P, es una circunferencia del plano P, cuyo centro es B ′ y su
radio B ′ C. Trazando por A las tangentes AT y AT ′ a esta circunferencia, los planos BAT y BAT ′ son
los pedidos.
223
I 17- Cortar un triedro VABC por un plano que pasa por un punto dado M de VA, de modo que la
sección sea de perímetro mínimo.
Solución:
V
M
M’
A
C
B
A’
Se abaten las caras VBA y VCA, sobre el plano de la cara VBC, obteniéndose el ángulo AVA ′ . Se
lleva VM sobre VA ′ , obteniéndose VM ′ . Se traza la recta MM ′ que corresponde a la sección de
perímetro mínimo.
I 18- Construir un triedro VABC conociendo el diedro VA, la cara AVB, y sabiendo que las otras dos
caras son suplementarias.
Solución:
A
B
V
C
A’
Cortando el triedro por una esfera de centro V y radio la unidad, sean A, B y C los puntos de corte
con las aristas. Los arcos de círculo máximo AC y AB se cortan en A ′ . En el triángulo esférico
ABC, se conocen CAB y el arco AB. Por ser suplementarios los arcos AC y CB, los arcos CB y CA ′
son iguales. Ahora bien, A ′  A  CBA ′ , por ser isósceles el BCA ′ . Además los arcos AB y BA ′
son suplementarios. Luego se conocen todos los elementos del triángulo esférico BCA ′ , por lo que
se puede construir. Prolongando sus lados A ′ C y A ′ B, se obtiene el vértice A. Conocidos los tres
vértices, se unen con V.
I 19- Se dan dos triángulos en el espacio BCA y BCA ′ , que tienen común el lado BC, siendo la recta
AA ′ perpendicular al plano ABC. Demostrar que la recta HH ′ que une los ortocentros de los dos
triángulos, es también perpendicular a uno de los dos planos ABC o A ′ BC.
Solución:
A’
P
N
B
H’
A
H
M
C
Siendo A ′ A perpendicular al plano ABC, las alturas trazadas desde A y A ′ sobre BC, coinciden en
el mismo punto M de BC. En el triángulo ABC, se traza la altura CN, y el plano perpendicular a
BA ′ que contiene a CN y a la altura CP, y es perpendicular a las caras del diedro A ′ B y en
particular a la cara A ′ BC. La intersección de los planos A ′ AM y PCN, es la recta HH ′ , que por tanto
es perpendicular al plano A ′ BC.
I 20- Demostrar que en un triedro trirrectángulo de aristas OM, ON y OQ cuyas longitudes son iguales
a a, la suma de los cuadrados de las proyecciones de las tres aristas sobre un plano P cualquiera
que pasa por O, es constante, y hallar su valor.
224
Solución: Sean OM ′ , ON ′ y OQ ′ las proyecciones de OM, ON y OQ sobre el plano P. Sean ,  y
 los ángulos que forma la perpendicular al plano P con las aristas del triedro trirrectángulo. Se
′
, es decir
sabe que cos 2   cos 2   cos 2   1. Ahora bien, cos90º −   sin   OM
a
′2
cos 2   1 − OM2 . Teniendo en cuenta las expresiones análogas, se tiene:
a
′2
′2
OQ ′2
 1.
cos 2   cos 2   cos 2   3 − OM2  ON2 
a
a
a2
Luego OM ′2  ON ′2  OQ ′2  2a 2 .
I 21- Se da un plano P y un punto O sobre él, y se dan dos rectas OA y OB situadas al mismo lado de
P. Trazar en el plano una recta OC, tal que la suma de los ángulos COB y COA, sea mínima.
Solución:
A
B
O
P
C
A’
Supuesto resuelto el problema, con centro O se traza una esfera que corta a las aristas en A, B y C.
El plano P corta a la esfera según un círculo máximo en el que se sitúa C. El simétrico de A
respecto a P, es A ′ , siendo COA ′  COA. La suma BOC  COA  BOC  COA ′ es mínima cuando
los tres puntos B, C y A ′ están sobre un mismo círculo máximo. Por tanto se traza el círculo
máximo que pasa por B y A ′ , que corta en C al círculo máximo situado en P.
I 22- 1º) Se traza una paralela a las bases AD y BC de un trapecio ABCD, que corta a AB en O, y a CD
en I. Calcular OI en función de OA, OB, AD y BC. 2º) Se da un cuadrilátero ABCD, cuyas
diagonales se cortan en O. Sean OA  a, OB  b, OC  c y CD  d. Se trazan por A, B, C y D
paralelas exteriores al plano ABCD, y en el mismo sentido se llevan sobre estas paralelas las
longitudes AA ′  x, BB ′  y, CC ′  z, DD ′  t. Hallar la relación que deben verificar x, y, z, t para
que los cuatro puntos A ′ , B ′ , C ′ y D ′ sean coplanarios. 3º) Se consideran rombos ABCD, de
diagonales AC  6a y BD  8a. Se levantan perpendiculares en B, C y D al plano del rombo, y se
lleva sobre las dos primeras, respectivamente y en el mismo sentido, las longitudes BB ′  x,
CC ′  10a. El plano AB ′ C ′ corta en D ′ a la perpendicular en D. Calcular DD ′ y determinar x para
que el cuadrilátero AB ′ C ′ D ′ , sea a) un rombo, b) un rectángulo.
Solución:
C’
O’
B
O
A
C
I
x
D
A
D’
O’
B’
A’
z
h
a O
c
C
y
B
t
h
b O
d
D
1º) Aplicando la solución del problema D 47, se tiene (figura de la izquierda)
OI  OA  BC  OB  AD . 2º) En las figuras del centro y de la derecha se representan los alzados
AB
correspondientes a las dos diagonales del cuadrilátero. De acuerdo con la fórmula anterior, las
paralelas OO ′  h en ambas figuras, han de ser iguales para que A ′ , B ′ , C ′ , D ′ sean coplanarios,
bt  dy
az  cx
ac
cx
luego h  aza 
 c  b  d , es decir bt  dy  b  d . 3º) Aplicando la misma fórmula para
′
hallar DD ′ , se tiene: 4a  DD 2 4ax  8a , de donde DD ′  10a − x. Como AB ′2  25a 2  x 2 ,
6a
30a
B ′ C ′2  25a 2  10a − x 2 , D ′ C ′2  25a 2  x 2 , AD ′2  25a 2  10a − x 2 .
Para que sea rombo x  10a − x, luego x  5a.
Para que sea rectángulo AC ′2  136a 2  AD ′2  D ′ C ′2  50a 2  100a 2  2x 2 − 20ax.
De donde x 2 − 10ax  7a 2  0. Luego x  a 5  3 2 .
225
I 23- En el triedro OABC, el ángulo diedro correspondiente a la arista OA es recto. Demostrar que todo
plano que corta a las tres aristas, y a una de ellas perpendicularmente, da como sección un
triángulo rectángulo, de forma que el vértice del ángulo recto está sobre OA.
Solución:
B
O
A
C
Sea ABC la sección por un plano perpendicular a la arista OB. El plano OBA contiene a OB, que es
perpendicular a ABC, luego dicho plano es perpendicular a ABC. El plano OCA es perpendicular al
BOA, por definición. La traza de AOC y ABC, planos perpendiculares a BOA, será también
perpendicular a BOA. Luego CA es perpendicular a AM que es una recta de BOA. En consecuencia,
CAB es recto.
I 24- Se da un círculo de diámetro AB  2R, y un punto V sobre la perpendicular en A al plano del
círculo (VA  h). Siendo M un punto cualquiera de la circunferencia dada, se traza VM, siendo H
el pie de la perpendicular por A a VM. 1º) Demostrar que AH es ortogonal a VB. Deducir que
cuando M varía, la recta AH está en un plano fijo, siendo el lugar de H un círculo O, cuyo radio se
calculará en función de R y h. 2º) Cuando M es fijo, y varía V, determinar el lugar geométrico de
H. Hallar la superficie engendrada por este lugar cuando M varía.
Solución:
V
V
K
H
A
B
A
B
M
1º) AH es perpendicular al plano VMB, luego es ortogonal a VB. Al ser AH ortogonal a VB, y pasar
por A, AH describe el plano que pasando por A es perpendicular a VB. Este plano corta a VB en K,
teniéndose que BKA  90º. Luego el lugar geométrico de H es el círculo O, cuyo radio es la mitad
Rh
. 2º) Como AHM  90º, H describe el círculo de diámetro AM, por lo
de AK, es decir
4R 2  h 2
que la superficie engendrada por él, cuando M varía, es una esfera de diámetro AB.
I 25- Dado un segmento AB cuyos extremos A y B están sobre las caras p y q de un diedro dado, y son
tales que la distancia de A a q es igual a la de B a p, demostrar que la suma de distancias de un
punto cualquiera de AB a los planos p y q, es constante.
Solución:
N
H1
B
C
A
M
p
H2
q
Sea AM la distancia de A a la cara q, y sea BN la de B a la cara p. Sea C un punto del segmento
AB, y sean CH 1 y CH 2 sus distancias a los planos p y q. Se tiene CH 1  BN  AC y
AB
AMAC  BC
AM

BC
CH 2 
. Como AM  BN, se tiene CH 1  CH 2 
 AM, que es
AB
AB
constante.
226
I 26- Se dan dos puntos A y B en el interior de un diedro de caras p y q. La suma de las distancias de A
a las dos caras es igual a la suma de las distancias de B a dichas dos caras. Demostrar que si un
punto varía sobre AB, la suma de sus distancias a las dos caras, es constante.
Solución:
B1
M1
A2
M2
B2
A1
A
B
M
p
q
Se tiene que AA 1  AA 2  BB 1  BB 2 . Sea AM  m y MB  n, siendo m  n  AM. Se tiene que
MM 1  MM 2  AA 1  m BB 1 − AA 1   BB 2  n AA 2 − BB 2 . Operando, se obtiene que
AB
AB
MM 1  MM 2  AA 1  AA 2 , que es constante.
I 27- Se dan dos rectas X e Y no situadas en un mismo plano y cuyas proyecciones sobre un plano P
son paralelas. Demostrar que las rectas que se apoyan en X e Y, siendo paralelas a P, pasan por una
misma recta y determinarla.
Solución:
Z
Y1
F
E
A
X C
X1 D
Y
G
O
P
B
Sean A y B los puntos en que X e Y cortan a P. Siendo O el punto medio de AB, se trazan por él X 1
e Y 1 , paralelas a X e Y. Sea OZ la bisectriz de X 1 e Y 1 . Un plano paralelo a P corta a X e Y ,
respectivamente, en C y G, y a X 1 e Y 1 en D y F. La recta CG pasa por un punto E de OZ, ya que
EC  EG, DC  FG, DCE  EGF. Por tanto ED  EF, y E está en OZ. La recta pedida es OZ,
bisectriz de X 1 e Y 1 .
I 28- Las rectas r y r ′ son ortogonales, siendo su perpendicular común AA ′  a. Un segmento BB ′ de
longitud b, tiene sus extremos en r y r ′ . Demostrar que 1º) BB ′ forma con AA ′ un ángulo constante.
2º) La suma de los cuadrados de los lados del cuadrilátero AA ′ BB ′ es constante.
Solución: 1º) Se traza por r el plano paralelo a r ′ . La proyección de B ′ sobre este plano es B ′′ . El
triángulo BB ′ B ′′ es siempre igual, pues BB ′  b, B ′ B ′′  a, BB ′′ B ′  90º, por lo que BB ′ B ′′ es
constante. 2º) Se tiene AB 2  x 2 , AA ′2  a 2 , BB ′2  b 2 , A ′ B 2  x 2  a 2 , A ′ B ′2  b 2 − a 2 − x 2 . La
suma de los cuadrados de los cuatro lados es 2b 2 .
I 29- Sean XX ′ e YY ′ dos rectas ortogonales, cuya perpendicular común es OI  d. Se toma sobre XX ′ ,
las distancias OA  a y OB  b, y se une A con un punto cualquiera M de YY ′ . Demostrar que 1º)
A cada M de YY ′ le corresponde un punto N de YY ′ , de forma que AM y BN son ortogonales. 2º)
IM  IN  k 2 .
Solución: 1º) Se traza por B el plano perpendicular a AM, que corta a YY ′ en N. Luego BN, recta
del plano, es perpendicular a AM. 2º) Se traza el plano que pasando por XX ′ , es paralelo a YY ′ . Los
segmentos IM e IN se proyectan sobre este plano, en verdadera magnitud, y BN y AM siguen
siendo perpendiculares en sus proyecciones. En los triángulos semejantes OBN y AOM se tiene
ON  OA , OM  ON  IM  IN  a  b  k 2 .
OB
OM
227
I 30- Trazar por un punto A de un plano P, una recta tal que su mínima distancia a una recta dada r, no
paralela a P, tenga una longitud dada a.
Solución: Tomando como eje la recta r y con radio igual a a, se traza una superficie cilíndrica.
Desde A se trazan los planos tangentes al cilindro, que lo son a lo largo da las generatrices m y n,
que cortan a P en M y N. Las rectas AM y AN son las pedidas.
I 31- Demostrar que en un cuadrilátero alabeado ABCD, de lados iguales, la recta MN que une los
puntos medios de las diagonales BD y AC, es la mínima distancia entre ellas.
Solución:
M
B
D
A
N
C
Los triángulos ABD y BDC son isósceles, luego AM y CM son perpendiculares a BD. El plano
AMC es perpendicular a BD, y por tanto MN también lo es. El triángulo AMC es isósceles, luego
MN es perpendicular a AC. Luego MN es la mínima distancia entre las diagonales.
I 32- Determinar los planos sobre los que un cuadrilátero alabeado se proyecta según paralelogramos.
Solución: En un paralelogramo las diagonales se cortan en su punto medio. Uniendo los puntos
medios de las diagonales del cuadrilátero alabeado, se obtiene una recta. Siempre que se proyecte
el cuadrilátero paralelamente a esa recta, se obtendrá un paralelogramo, sea cual sea el plano sobre
el que se proyecte.
I 33- Se da un cuadrilátero alabeado ABCD y un punto O. Demostrar que los pies de las bisectrices
interiores de los ángulos en O de los triángulos OAB, OBC, OCD y ODA, son cuatro puntos
coplanarios.
Solución:
A
a
B
b
d
O
C
c
D
Sean a, b, c y d los pies de las bisectrices. Se tiene:
aA  bB  cC  cD  OA  OB  OC  OD  1, luego a, b, c y d son coplanarios.
aB bC cD cA
OB OC OD OA
I 34- Construir un cuadrilátero alabeado ABCD, conociendo AB  2a, BC  2b, CD  2c, y sabiendo
que los lados opuestos son ortogonales y que sus perpendiculares comunes también lo son.
Solución:
ND
A
B
PM
C
Siendo P el punto medio de BC, MP  , BM  b  , MC  b − . Sea MN  , DN   y
NA  . Conociendo , ,  y , se puede construir el cuadrilátero. En el triángulo BMN, se tiene
BN 2  b   2   2 . En el triángulo ABN, se tiene: 4a 2 −  2  b   2   2 . Análogamente en
los triángulos NMC y CDN, se tiene 4c 2 −  2  b −  2   2 . Por ser AB y CD perpendiculares,
228
se tiene MB  MC  NA  ND  MN 2  0, es decir b − b       2  0. Por ser la
perpendicular común a AB y CD ortogonal con MN, se tiene MC  ND  MB  NA, es decir
b    b − . Las soluciones de este sistema de cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas,
2
2
2
2
2
2
2
2
ba 2 − c 2 
2ac ,   2c a − b  c ,   2a a − b  c .
son:  
,


a2  c2
a2  c2
a2  c2
a2  c2
I 35- Demostrar que si en los lados de un cuadrilátero alabeado ABCD, se determina un punto en cada
lado, de forma que los lados queden divididos según una misma razón, el cuadrilátero formado por
dichos cuatro puntos, es un paralelogramo.
Solución:
A
M
Q
D
B
P
N
C
QA
Sean M, N, P, Q, los cuatro puntos, de forma que: MA  NC  PC 
 k. Luego MN y
MB
NB
PD
QD
PQ son paralelas a AC. Análogamente, MQ y NP son paralelas a BD. Luego MNPQ es un
paralelogramo.
I 36- Se da una circunferencia de diámetro AB. Se consideran las rectas AX y BY, perpendiculares a
AB, inclinadas un ángulo  sobre el plano P de la circunferencia, y no paralelas entre sí. Demostrar
que toda recta que corta a estas dos rectas y a la circunferencia, forma el mismo ángulo  con el
plano de la circunferencia, y que sus proyecciones son tangentes a la misma.
Solución:
Y
X
B
O
b
N1
A
M1
N
C
M a
Las proyecciones sobre P de AX y BY son Aa y Bb. Sea la recta MCN que corta respectivamente en
M y N a AX y BY, y a la circunferencia en C. Las proyecciones sobre P de M y N son M 1 y N 1 . Si
M 1 N 1 cortara a la circunferencia en dos puntos C y C ′ , el punto cuya proyección sería C ′ , estaría
en MN y en la circunferencia, lo que no es posible, pues MN solo corta en un punto C a la
circunferencia. Luego M 1 CN 1 es tangente a la circunferencia en el punto C. Como M 1 C  M 1 A,
por ser ambas tangentes a la circunferencia, se tiene que los triángulos MM 1 C y MM 1 A son
iguales, pues MM 1 es común y MM 1 C  MM 1 A  90º. Por tanto MAM 1  MCM 1  .
229
I 37- Demostrar que: 1º) Los planos trazados por cada arista de un triedro, perpendiculares a la cara
opuesta, tienen una recta común. 2º) Correlativamente, las rectas trazadas desde el vértice de un
triedro, perpendiculares en el plano de cada cara a las aristas opuestas, están en un plano.
Solución:
V
d
A
B
H
V
B
A
C
H
A1
C
1º) Sea el triedro VABC cortado por el plano ABC. Las trazas AA 1 , BB 1 y CC 1 de los tres planos
del enunciado son perpendiculares, respectivamente, a BC, CA y AB. Luego se cortan en H,
ortocentro del triángulo ABC, por lo que VH es común a los tres planos. 2º) Se traza la recta d en el
plano VBC, que pasa por V y es perpendicular a VH, por lo que es perpendicular al plano VAH y
por tanto a la recta VA. Por tanto, las rectas trazadas desde V y perpendiculares a las aristas
opuestas, están en el plano P perpendicular a VH que pasa por V.
I 38- En un triedro OABC, calcular la cara a, sabiendo que el diedro A es recto, y que las caras b y c
son de 45º.
Solución:
B
A
C
O
Sea ABC una sección recta del diedro A. Por ser AOB  AOC  45º, AO  AB  AC. Luego
CB  OB  OC, por lo que el triángulo OBC es equilátero, es decir que la cara a (ángulo COB)
mide 60º.
I 39- Dado un triedro OXYZ y un punto G en su interior, construir la sección del triedro que admite a
G como su baricentro.
Solución:
Z
C
O
B
G
A
M
Y
230
X
Se trata de hallar el plano sección ABC de forma que G sea el baricentro del triángulo ABC. Como
GC  2  GM, se obtiene en el plano ZOG la recta homotética de OZ con centro de homotecia G y
razón −1 , que corta al plano OXY en M. En el plano XOY se obtiene la recta homotética de OX,
2
con centro de homotecia M y razón −1, que corta en B a OY. Obtenido B, A es su simétrico
respecto a M. El vértice C está en la intersección de OZ con GM.
I 40- Demostrar que un ángulo poliedro convexo no puede tener más de tres caras cuyos ángulos sean
obtusos o rectos, ni más de tres diedros agudos.
Solución: Como la suma de las caras de un ángulo poliedro convexo es menor que cuatro ángulos
rectos, no es posible que tenga más de tres caras rectas u obtusas. En el segundo caso, obteniendo
el poliedro suplementario del dado, cada cara de aquel mide un ángulo suplementario de un diedro
de este; luego este no puede tener más de tres diedros agudos, pues si no fuera así, aquel tendría
más de tres caras rectas u obtusas, lo que es imposible.
I 41- Dado un triedro OABC, en el que el diedro C es igual a la suma de los otros dos diedros, hallar
las condiciones para que la arista OC forme con la bisectriz OD de la cara opuesta, un ángulo igual
a la mitad de esta cara.
Solución: Se divide el triedro dado en dos triedros OCBD y OCAD, quedando el diedro C,
dividido en C 1 (en el triedro OCAD) y C 2 (en el triedro OCBD). En el triedro OCAD se tiene que
los ángulos AOD y COD son iguales por definición, luego el triedro es isósceles, y como a caras
iguales se oponen diedros iguales, los diedros C 1 y A son iguales. Análogamente, los diedros C 2 y
B son iguales. Luego la condición a cumplir consiste en que el plano COD divida al diedro C en
dos diedros C 1 y C 2 , de forma que C 1  A, C 2  B.
231
232
Sección J - CUERPOS
J 1- Dada una pirámide con un vértice V que es un triedro trirrectángulo, probar que V se proyecta
ortogonalmente sobre la base opuesta en el ortocentro de esta.
Solución:
V
B
h’
C
h’’ H
h
A
Las alturas de la base son Bh, Ah ′ y Ch ′′ , que se cortan en el ortocentro H. El plano VBh es
perpendicular a AC, y el plano VAh ′ lo es a BC. Luego VH es perpendicular a AC y a BC, siéndolo
por tanto, al plano ABC. Luego H es la proyección de V sobre ABC.
J 2- Cortar una pirámide triangular por un plano de manera que la sección sea un paralelogramo.
Solución:
V
C
N
M
P
Q
B
A
Sea la pirámide VABC. Por un punto M de la arista VA se traza en la cara VAB, la paralela MN a
AB, estando N sobre la arista VB. En el plano VBC se traza NP paralela a VC, que corta en P a CB.
En la cara ABC se traza PQ paralela a MN, estando Q sobre AC. En la cara VAC, MQ es paralela a
NP.
J 3- Cortar una pirámide triangular por un plano de modo que la sección sea un paralelogramo de área
máxima.
Solución:
B
F
A
G
C
E
H
D
Sea la pirámide ABCD y sea el paralelogramo EFGH, en el que los lados EH y FG son paralelos a
AC, y EF y GH lo son a BD. El área del paralelogramo es S  EH  EF  cos FEH. Como el ángulo
es fijo, el área será máxima cuando lo sea el producto EH  EF. Como EH  AC  ED y
AD
EF  DB  AE , su producto es proporcional a AE  ED. Y como la suma de estos dos factores es
AD
constante e igual a AD, su producto es máximo cuando los dos factores sean iguales, es decir
cuando E sea el punto medio de AD, y análogamente F, G y H sean los puntos medios de sus
respectivas aristas.
233
J 4- En un cubo de 4 m de arista, se traza el plano determinado por los puntos medios de tres aristas
que no sean ni consecutivas ni paralelas entre sí. Determinar la forma de la sección definida por
ese plano en el cubo, calculando sus elementos y su superficie.
Solución:
G
F
N
S
A
B
Q
O
E
M
P
H
R
D
C
Sean las tres aristas consideradas AD, BG y EH, y sus correspondientes puntos medios M, N y P. El
plano MNP pasa por O, centro del cubo, por lo que pasa también por los puntos medios Q, R y S de
las aristas opuestas a las consideradas. La sección es el exágono regular MSNQPR, cuyo lado mide
2 2 m, inscrito en el círculo de centro O y radio 2 2 , siendo su área 12 3 m 2 .
J 5- Se da una esfera O y una recta d. Trazar una esfera  de radio conocido, que corte a O bajo
ángulo  dado y tal que el plano de intersección de ambas esferas, pase por d.
Solución: Sea R el radio de O, y r el de . Siendo P uno de los puntos de intersección de ambas
esferas, se tiene el triángulo OP, en el que el ángulo en P es suplementario de , OP  R,
P  r, O  R 2  r 2  2Rr cos  . Por tanto los centros de  están en una esfera O ′ ,
concéntrica con O y cuyo radio es R 2  r 2  2Rr cos  . El plano sección de ambas es tangente a
una esfera O ′′ , concéntrica con O y cuyo radio es la proyección de OP sobre O. Se trazan los
planos que, conteniendo a d, son tangentes a O ′′ (en general, serán dos planos). Estos dos planos
son los planos radicales de O y . Las perpendiculares trazadas desde O a estos dos planos
radicales, cortan a la esfera O ′ en dos puntos, que son centros de la esfera pedida .
J 6- Se da un triedro VXYZ. 1º) Construir un tetraedro VABC, de forma que A, B y C estén sobre VX,
VY y VZ, respectivamente, y tal que las tres caras laterales VAB, VBC y VCA sean equivalentes. 2º)
Demostrar que en este tetraedro, uno cualquiera de los lados del triángulo ABC, por ejemplo el AB,
está igualmente inclinado con respecto a las caras laterales que no contienen a dicho lado (VAC y
VCB en el caso del lado AB).
Solución:
V
V
K
A’
A
B
O
A
C
C
B
1º) Desarrollando el triedro sobre el plano de una de sus caras (por ejemplo VBC en la figura de la
izquierda) y fijando una longitud arbitraria VA  VA ′ , se tiene que:
VA  VB  sin AVB  VB  VC  sin BVC  VC  VA  sin CVA. Luego VA es proporcional a sin BVC,
VB a sin CVA, y VC a sin AVB. 2º) Se traza (figura de la derecha) BK perpendicular a la cara VAC,
y AO perpendicular a la cara VBC. Los segmentos BK y AO son iguales, puesto que
1 S VBC  AO  1 S VAC  AK, y como S VBC  S VAC , se tiene que BK  AO. Los triángulos
3
3
rectángulos AKB y AOB son iguales, luego KAB  ABO.
234
J 7- Trazar una esfera que sea tangente a las tres caras de un triedro dado y corte ortogonalmente a
otra esfera dada.
Solución: Un lugar geométrico del centro de la esfera es la recta intersección de los tres planos
bisectores de los diedros del triedro dado. Las esferas ortogonales a una dada, con sus centros en
una recta dada, forman un haz de segundo género, es decir pasan por un punto fijo P exterior a la
esfera. Por tanto, se trata de trazar una esfera tangente a las caras del triedro y que pasa por un
punto. Este problema se resuelve como el análogo E 14, de geometría plana, y como él, tiene dos
soluciones (el problema sólo tiene solución si el punto P es interior al triedro).
J 8- Una esfera O es tangente al plano P en el punto A. Se traza un radio cualquiera que corta a la
esfera en B y al plano en C. Se halla el conjugado armónico M del punto O respecto a BC. Con
centro en M, se describe una esfera tangente a P. Demostrar 1º) Que esta esfera es tangente a la
dada. 2º) Que la esfera de diámetro OM es tangente a P.
Solución:
O
D
A
P
BM
E
C
N
R
1º) Sea OA  OB  R, BM  r, MC  a. OMBC 
 −r
a  −1, de donde
Rra
aR  rR  r  a. En los triángulos semejantes OAC y MCN, donde N es la proyección de M
a
sobre P, se tiene MN 
, es decir aR  MNR  r  a. Luego MN  r, siendo las dos
R
Rra
esferas tangentes. 2º) Siendo D el punto medio de OM, y E su proyección sobre P, se tiene
DE  OA  MN  R  r  OM , luego la esfera de diámetro OM es tangente a P.
2
2
2
J 9- Demostrar que las perpendiculares trazadas a las tres caras de un tetraedro cualquiera, por sus
ortocentros respectivos, se proyectan ortogonalmente sobre la cuarta cara, según rectas
concurrentes.
Solución:
V
A
HM P
HN
B
V’
M
N
C
Proyectando ortogonalmente las alturas VM, VN y VP sobre la base ABC, se obtienen los planos
VV ′ M, VV ′ N y VV ′ P, perpendiculares a la base y cuyas trazas son V ′ M, V ′ N y V ′ P. Toda recta
contenida en dichos tres planos, se proyecta sobre ABC según dichas trazas. Las perpendiculares a
las caras laterales por sus ortocentros, están contenidas en dichos planos, por lo que sus
proyecciones son concurrentes en V ′ .
235
J 10- Demostrar que en toda pirámide regular, si por un punto cualquiera de la base se traza a cada
cara lateral rectas que forman con estas caras ángulos de 45º, la suma de estos segmentos es
constante.
Solución:
V
C
C
N
A
M
P
M’
M
B
P
M’’
A
B
Sea P el punto, y PN, PN ′ , ... los segmentos tales que PNM  PN ′ M ′ . . .  45º, siendo NM, por
ejemplo, la perpendicular trazada en la cara VBC desde N sobre BC. Como los triángulos PNM,
PN ′ M ′ , ... son semejantes, si PN  PN ′ . . . es constante, también lo es PM  PM ′ . . . .
Como (figura de la derecha), la superficie S de la base es:
1 BC  PM  CA  PM ′ . . .   AB PM  PM ′ . . . ,
2
2
se tiene que PM  PM ′ . . .  2S , constante.
AB
J 11- Encontrar un punto para el que la suma de los cuadrados de sus distancias a los vértices de un
tetraedro, sea mínima.
Solución:
A
P
E
B
O
C
F
D
2
Sea ABCD el tetraedro y P el punto. Se tiene PA 2  PB 2  2  PE 2  AB , siendo E el punto
2
2
medio de AB. Análogamente, PC 2  PD 2  2  PF 2  DC , siendo F el punto medio de DC.
22
2
Luego la suma considerada es igual a 2PE 2  PF 2   AB  DC . Como el segundo sumando es
2
constante, el primero ha de ser mínimo, para lo cual P ha de ser el punto medio O de EF.
J 12- Construir un triángulo esférico conociendo el arco de su base BC, el arco de la altura h a
correspondiente a la base, y su área.
Solución: Se lleva sobre la esfera, la base dada, es decir el arco BC. El vértice A se encuentra en
los paralelos cuya distancia a BC es el arco h a . Aplicando el teorema de Lexell, el lugar geométrico
de los vértices A de los triángulos esféricos de base dada BC y de igual área S, se compone de dos
arcos de círculos menores simétricos con relación al plano del círculo máximo de la base, pasando
por los puntos B ′ y C ′ , diametralmente opuestos a B y C. La intersección de estos círculos con los
paralelos anteriores, resuelven el problema.
J 13- Se da una circunferencia O y dos rectas BX y CY que cortan a la circunferencia en B y C, que no
son coplanarias entre sí ni con el plano de la circunferencia. Se considera una esfera variable que
contiene a la circunferencia y corta a las dos rectas en B ′ y C ′ . Demostrar que al variar la esfera, B ′
y C ′ describen segmentos proporcionales.
236
Solución:
Y
X
X’
C
H’1
W
B’1
H1
B’
H
O
B
La perpendicular al plano del círculo, levantada por su centro O, es el lugar geométrico de los
centros W de las esferas. La esfera de centro O corta a BX en B ′ , siendo H el pie de la
perpendicular trazada desde O a BB ′ . La esfera de centro W corta a BX en B y B ′1 , siendo H 1 el pie
de la perpendicular trazada desde W a BB ′1 . Por tanto, el recorrido de B ′ es
BB ′1 − BB ′  2BH 1 − BH  2  HH 1 . Trazando por O la paralela OX ′ a BX, se tiene que
HH 1  OH ′1  OW cos , siendo  el ángulo WOX ′ , que es el ángulo de OW con BX. Luego el
recorrido de B ′ es 2 cos   OW. Análogamente, el recorrido de C ′ es 2 cos   OW, siendo  el
ángulo que forma OW con CY ′ . Luego los recorridos de B ′ y C ′ son proporcionales al recorrido del
centro W de la esfera.
J 14- En el tetraedro ABCD sean A ′ , B ′ , C ′ y D ′ las proyecciones ortogonales de sus vértices sobre las
caras opuestas. 1º) Demostrar que si A ′ está situado sobre la altura BH del triángulo BCD, las
aristas AB y CD son ortogonales. 2º) Enunciar y demostrar el recíproco. 3º) Demostrar que si A ′ se
confunde con el ortocentro del triángulo BCD, los puntos B ′ , C ′ y D ′ están confundidos
respectivamente con los ortocentros de los triángulos ACD, ABD y ABC.
Solución:
A
B
D
A’
H
C
1º) Al proyectar AB sobre BCD, se tiene BH, perpendicular a CD. Luego AB y CD son
ortogonales. 2º) Si dos aristas opuestas de un tetraedro son ortogonales, los vértices de una de las
aristas ortogonales, se proyectan en las caras opuestas sobre la altura trazada en dichas caras sobre
la segunda arista ortogonal. Por ser AB y CD ortogonales, el plano que pasa por AB perpendicular a
CD, corta a la cara BCD según la altura BH. Luego la recta AA ′ contenida en el plano ABH, corta a
BH en A ′ , proyección ortogonal de A. 3º) Por estar A ′ en BH, las aristas AB y CD son ortogonales.
Por estar en CH ′ , las aristas BD y AC lo son también, y por tanto también lo son BC y AD. Luego
el tetraedro tiene sus aristas opuestas ortogonales, con lo que al proyectar cualquiera de sus
vértices sobre la cara opuesta, ha de estar en los tres planos alturas, luego su proyección coincide
con el ortocentro.
J 15- Se da una semiesfera y el círculo que la limita. Se traza interiormente una esfera tangente a la
semiesfera en B y al plano del círculo, en C. Demostrar que BC pasa por un punto fijo.
Solución: Aplicando una inversión con centro un punto cualquiera de la circunferencia, el plano
de esta no varía, la esfera a la que le corresponde la semiesfera dada, se transforma en un plano
perpendicular al anterior. La esfera tangente a la semiesfera y al plano, sigue siendo una esfera,
ahora tangente a ambos planos. Las rectas BC se transforman en circunferencias que pasan por el
centro de inversión y por los puntos de tangencia de las esferas con los dos planos. Como estos
círculos son simétricos respecto al plano bisector de los dos planos, y el centro de inversión está en
uno de ellos, todas estas circunferencias pasan por el simétrico del centro de inversión respecto del
citado plano bisector. Luego todas las circunferencias pasan por un punto fijo, por lo que las rectas
BC pasan por un punto fijo situado en la intersección de la semiesfera no considerada, con la
perpendicular por el centro al plano dado.
237
J 16- Demostrar que en un tetraedro 1º) La suma de los cuadrados de dos pares de aristas opuestas es
igual a la suma de los cuadrados de las otras dos aristas, más cuatro veces el cuadrado de la
distancia entre los puntos medios de estas últimas. 2º) La suma de los cuadrados de las seis aristas
es igual a cuatro veces la suma de los cuadrados de los tres segmentos que unen los puntos medios
de aristas opuestas.
Solución:
A
c
e
a
n
m
D
f
B
d
b
C
Sean los pares de aristas opuestas ad, bc, ef. Sean las distancias entre sus puntos medios D ad , D bc ,
D ef . Y sea m la mediana en el triángulo ABC, trazada desde B sobre AC, y n la mediana en el
2
2
triángulo ACD, trazada desde D sobre AC. 1º) Se tiene: a 2  b 2  e  2m 2 , c 2  d 2  e  2n 2 ,
2
2
f2
2
2
2
m n 
 2dD ef . Sumando las dos primeras igualdades y teniendo en cuenta la tercera, se
2
2
obtiene: a  b 2  c 2  d 2  e 2  f 2  4D 2ef . 2º) Sumando las tres igualdades siguientes:
a 2  b 2  c 2  d 2  e 2  f 2  4D 2ef , a 2  d 2  e 2  f 2  c 2  b 2  4D 2bc , b 2  c 2  e 2  f 2 
 a 2  d 2  4D 2ad , se obtiene: a 2  b 2  c 2  d 2  e 2  f 2  4D 2ad  D 2bc  D 2ef .
J 17- En un plano H se considera un segmento fijo OA de longitud a, y una semirrecta variable OX que
forma en O con OA el ángulo  agudo. Sobre la perpendicular al plano H por A, se lleva AB  a.
Sea C el pie de la perpendicular bajada desde B sobre OX. 1º) ¿Qué propiedad es común a todas las
caras del tetraedro OABC? 2º) Calcular las longitudes de las aristas y el volumen V del tetraedro en
a3 3
función de a y . Determinar  para que V 
, obteniéndose dos soluciones. 3º) ¿Cuál es el
24
volumen del sólido común a los tetraedros correspondientes a dichas dos soluciones? 4º) Hallar en
función de a y , el ángulo   BOC. Aplicar el resultado al cálculo de  cuando   45º. 5º)
Cuando  varía, ¿cuál es el lugar de C? Demostrar que la esfera circunscrita al tetraedro OABC está
fija. Demostrar que el plano tangente en C a esta esfera pasa por un punto fijo a determinar.
Solución:
B
A
O
C
H
X
1º) Las cuatro caras son triángulos rectángulos, pues OCA  CAB  OCB  OAB  90º.
238
2º) OA  AB  a, OB  a 2 ;   AOC, OC  a cos , AC  a sin , BC  a 1  sin 2  ;
3
3
3
a3 3
3
 a sin 2 , sin 2 
, de
V  1  OC  AC  AB  a sin  cos   a sin 2 ;
24
2
6
12
12
6
2
a 3
. El
donde los dos valores de  son 30º y 60º. 3º) El área de la base común es 1 a a 3 
12
2 6
2
2
a 1  sin 
1  sin 
a3 3
. 4º) tan   BC 

, luego
volumen común es
a cos 
cos 
36
OC
2 cos 
2 cos 
,   arccos
 arccos 1  60º. 5º) Como el ángulo
cos   OC 
2
2
2
OB
OCA  90º, el punto C describe la circunferencia de diámetro OA. La esfera circunscrita es la
determinada por este círculo y el punto B, por lo que es fija. Como C describe un círculo menor,
todos los planos tangentes lo son también a las generatrices del cono tangente, luego todos los
planos pasan por el vértice del cono, siendo este punto el conjugado armónico del punto medio de
OA respecto de los puntos en que corta a la esfera el diámetro perpendicular a OA.
J 18- Se da un triángulo equilátero ABC de lado a. 1º) Demostrar que existe un punto P del espacio, tal
que el tetraedro PABC formado sea regular. ¿Este punto es único? Calcular la altura y el volumen
en función de a. 2º) ¿Existe un punto O tal que los triángulos AOB, BOC y COA sean rectángulos
en O? ¿Sobre qué recta se encontrará? Precisar su posición calculando su distancia al plano ABC.
Exponer qué les pasa a estos triángulos si el punto O es único. 3º) M es un punto de PB. Se pone
PM  x  PB. Sea M ′ el punto de PC tal que CM ′  PM. Calcular en función de a y de x los
volúmenes V y V ′ de los tetraedros PACM y PAM ′ M. 4º) Estudiar las variaciones del cociente
′
y  Vv en función de x, siendo v el volumen del tetraedro PABC, cuando el punto M se desplaza
entre P y B. Determinar las tangentes a la curva en los puntos de intersección con el eje X,
calculando el ángulo que forma con este eje.
a 6
, luego trazando por el centro del triángulo ABC una
3
a 6
sobre la perpendicular, a ambos lados del
perpendicular a su plano, y llevando la distancia
3
′
plano, se obtienen los puntos simétricos P y P que dan dos tetraedros regulares de volumen
a3 2
v
.
12
2º) Existen dos puntos O simétricos respecto al plano ABC, que se encuentran sobre la
perpendicular a dicho plano, trazada por el centro del triángulo ABC, de forma que
a 2
OA  OB  OC 
. La distancia H desde O al citado plano, viene dada por
2
2
2
2
H 2  a − a  a , es decir H  a . Todos los triángulos de las caras, en este caso, son
2
3
6
6
3
a2 3 x

. Altura de C sobre
isósceles. 3º) Superficie del triángulo PAM  1 aax
2
4
2
3
a1 − x 6
a 6
a 2x
. Luego V 
. Altura de M ′ sobre APB 
. Luego
APB 
12
3
3
3
3
3
a x1 − x 2
a x1 − x 2
a 2
. 4º) y 

 x1 − x. Se trata de una parábola que
V′ 
12
12
12
corta al eje X en los puntos 0, 0 y 1, 0. La tangente en 0, 0 forma un ángulo de 45º con el eje
X, y la tangente en 1, 0, lo forma de 135º.
Solución: 1º) La altura del tetraedro es
239
J 19- Un plano divide a dos aristas opuestas de un tetraedro en una relación dada. Estudiar esta
relación para que el tetraedro quede dividido en dos sólidos cuyos volúmenes estén en la misma
relación.
Solución:
A
G
B
H
D
F
E
C
El plano corta a las aristas AD y BC en los puntos G y E, teniéndose GA  EB  k. El plano
GD
EC
corta también al par de aristas opuestas AC y BD en F y H, respectivamente, quedando el tetraedro
dividido en dos cuerpos: ABEFGH y CDEFGH. En el cuadrilátero alabeado ADBC cuyos lados
son
cortados
por
el
plano
en
G,
H,
E
y
F,
se
tiene
que
GA  HD  EB  FC  1  k 2  HD  FC . Luego HD  m y FC  1 . El cuerpo
HB FA
HB
GD HB EC FA
FA
k
km
ABEFGH está formado por la pirámide cuadrangular AEFGH y la pirámide triangular ABHE.
Análogamente, el cuerpo CDEFGH está formado por la pirámide cuadrangular DEFGH y la
pirámide triangular DEFC. Las dos pirámides cuadrangulares tienen la misma base EFGH y sus
respectivas alturas son proporcionales a AG y DG, luego la relación de sus volúmenes es la de
AG  k. La relación entre el volumen de la pirámide triangular ABHE y el volumen del tetraedro
DG
dado, es igual a la relación de sus bases, pues tienen la misma altura, que es la distancia de A al
plano BCD. La relación de sus bases es:
BH  BE 
BH  BE
1


BD  BC
HD
BH  HDBE  EC
1
1  EC
BH
BE
1
k2


. La relación de los volúmenes del tetraedro dado y de
k  mk  1
1 m
1 1
k
k
la pirámide triangular DEFC, es igual a la relación de sus bases ABC y EFC, pues sus alturas son
iguales (la distancia de D al plano ABC). La relación de sus bases es
CB  CA  CE  EBCF  FA  1  EB
1  FA  1  k1  km.
CE  CF
CE  CF
CE
CF
Multiplicando las dos relaciones se tiene la relación entre los volúmenes de las dos pirámides
k 2 1  km
k 2 1  k1  km

. Para que la relación de los volúmenes de
triangulares, que es
km
k  mk  1
los dos cuerpos, sea k, y como la de las pirámides cuadrangulares es k, la de las pirámides
k 2 1  km
 k, de donde k  1, pudiendo tomar m
triangulares ha de serlo también, luego
km
cualquier valor. Por tanto, se deduce que todo plano trazado por los puntos medios (k  1) de dos
aristas opuestas de un tetraedro, divide a este en dos partes equivalentes.
J 20- Se da un tetraedro ABCD. Hallar un punto P tal que la potencia de A respecto a la esfera de
diámetro PC, la potencia de C respecto a la esfera de diámetro PB, la de B respecto a la esfera de
diámetro PD, y la de D respecto a la esfera de diámetro PA, sean proporcionales a las cantidades
dadas , , , .
Solución: La potencia de A respecto a la esfera de diámetro PC, es AC  AA ′  k, de donde
k
k
, BB ′ 
, DD ′  k . Las rectas PA ′ , PB ′ , PC ′ y PD ′
AA ′  k . Análogamente, CC ′ 
BD
AC
CB
DA
son perpendiculares, respectivamente, a AC, BD, BC y AD. Siendo x, y, z, t las distancias de P a
2
2 2
AC, BD, BC y AD, se tiene PA 2  x 2  AA ′2  t 2  AD ′2  x 2  k 2  t 2  AD − k
. Sus
AD
AC
2
2
k22
k
k22
 z 2  BC −
,
z2 
 x 2  AC − k
,
análogas
son
y2 
2
2
CB
AC
BD
CD
240
k22
k 2
2

y

DB
−
.
Sumando
estas
cuatro
igualdades
se
tiene
BD
DA 2
2
2
2
2
2
2
2
2
k  AD  BC  AC  DB  a  b  c  d . Por tanto se conocen los puntos A ′ , B ′ , C ′ y
2      
2      
2
2
2

a

b

c
 d 2 , etc. Se trazan los planos perpendiculares a AC en A ′ , a
′
′

D , pues AA 
AC 2      
CD en C ′ , etc., que se cortan en P.
J 21- Se considera la pirámide VABCD, cuya base es un cuadrado de lado a, estando el vértice V en la
perpendicular por A a la base y a una distancia AV  h. Desde A se traza AE perpendicular a VB, y
AH perpendicular a VD. 1º) Demostrar que AE y AH son perpendiculares a las caras VBC y VDC, y
que el plano EAH es normal a la arista VC en el punto K. 2º) Demostrar que las diagonales del
cuadrilátero AEKH son rectangulares. Hallar su superficie en función de a y h. Calcular el volumen
w de la pirámide VAEKH y el cociente w , siendo W el volumen de VABCD. Calcular las
W
longitudes de VA, VC y VD para que w  1 . 3º) Demostrar que el centro O del cuadrado ABCD
W
3
equidista de los puntos A, E, K y H, que BK  DK  a, y que la distancia del punto O al plano
AEKH es igual a la mitad de CK. Dar la expresión del volumen de la porción de esfera de centro O
y radio OA, comprendida entre los planos ABCD y AEKH.
Solución:
t2 
V
V
K
K
H
Ω
E
D
A
A
O
C
O
B
C
1º) La arista BC es perpendicular a VAB, y en particular a AE. Como AE es perpendicular a VB, AE
lo es a VBC. Análogamente, AH es perpendicular a VDC. Como VC es perpendicular a AE y a AH,
lo es a su plano AEH en su punto de corte K. 2º) Se tiene que AE  AH y CE  CH, ya que el
plano VAC es de simetría del tetraedro. Luego AK y EH son perpendiculares. La superficie del
cuadrilátero es S AEKH  EH  AK . En el triángulo VAC, la altura es AK, luego
2
ah 2
1  1  1  1  1 , de donde AK 
. En los triángulos homotéticos
AK 2
VA 2
AC 2
h2
2a 2
2a 2  h 2
2
ah 2 2
VEH y VBD, se tiene EH  VE , EH  BD  VE . Como VE  VA , EH  2
, luego
BD
VB
VB
VB
a2  h 2
2
2 3
a h
h
S AEKH 
. En el triángulo VAC,
VK  VA 
. Luego
2
2
2
2
VC
2a 2  h 2
a  h  2a  h
2
a2h5
w  S AEKH  VK 
. Como W  a h , se tiene que:
2
2
2
2
3
3
3a  h 2a  h 
w 
w
h4
1
4
. Para
 , se tiene 2h − 3a 2 h 3 − 2a 4  0, de donde h  a 2 .
W
W
3
a 2  h 2 2a 2  h 2 
Luego VA  a 2 , VC  2a, VD  VB  a 2 . 3º) Como VA 2  VB  VE  VK  VC  VH  VD,
a 2
los puntos A, E, B, K, C, H y D están en una esfera tangente a VA en A, de centro O y radio
.
2
En el triángulo rectángulo BOK, se tiene que BK 2  BO 2  OK 2  a 2 . Análogamente, DK 2  a 2 .
Luego BK  DK. Los planos VAC y EAH son perpendiculares. El plano VAC contiene a O,
perpendicular por O al plano EAH. Como O y CK son perpendiculares a AK (figura de la
derecha), O es paralela a CK. Siendo O el punto medio de AC, se tiene que
a2
O  CK 
. El volumen pedido correspondiente a la esfera de centro O y radio OA,
2
2a 2  h 2
comprendido entre los planos ABCD y AEKH, es igual a la mitad del volumen de la esfera menos
el volumen del segmento esférico limitado por el plano AEKH. El volumen de la semiesfera es:
241
2  OA 3  a  2 . La altura del segmento esférico es:
3
6
3
2
2
a 2
a2
−
, y su volumen, a
2 − a 4a  3h 3 .
OA − O  OA − CK 
2
6
2
2a 2  h 2
2a 2  h 2  2
4
2
2
a 4a  3h 
Por tanto, el volumen pedido es:
.
3
62a 2  h 2  2
J 22- Se da una esfera de centro O, y dos puntos fijos, A y B, situados en la prolongación de uno de sus
diámetros. Hallar el lugar geométrico de los vértices de las superficies cónicas tangentes a la esfera
y que pasan por los puntos A y B.
Solución:
3
V
V’
O
A
B
Sea una superficie cónica de vértice V, tangente a la esfera O. El plano P que pasa por AB, corta a
la esfera según un círculo máximo. Sean las tangentes VA y VB que se cortan en V y que están
contenidas en el plano P. Al girar este plano alrededor de AB, V describe una circunferencia, que es
el lugar pedido. El mismo razonamiento para el vértice V ′ .
J 23- Demostrar que si un polígono está inscrito en una esfera, los planos tangentes a la esfera en los
vértices del polígono, se cortan en un punto.
Solución:
V
H
A
O
Sea O el centro de la esfera, y sea H el centro de la circunferencia que forma el plano del polígono
al cortar la esfera, y sobre la que están los vértices del polígono. Sea A uno de estos. Sea V la
intersección del plano tangente a la esfera en A, con la perpendicular OH al plano del polígono. En
el triángulo rectángulo OAV, se tiene: OA 2  OH  OV, luego OV es constante, y el punto V es fijo.
J 24- Hallar y razonar el número de esferas tangentes a un tetraedro cualquiera.
Solución:
α3
α2
α4
A1
α’3
A4
A3
a4
A2
α‘4
a2
a3
Los planos de las caras de un tetraedro dividen el espacio en quince regiones: a) Espacio
A 1 A 2 A 3 A 4 , ocupado por el tetraedro. b) Cuatro triedros, uno por cada vértice, opuestos en cada
242
vértice al triedro correspondiente al tetraedro (por ejemplo, A 1  2  3  4 ). c) Cuatro troncos de
pirámide, indefinidos, uno por cada cara (por ejemplo, A 2 A 3 A 4 a 2 a 3 a 4 ). d) Seis "tejados", uno por
cada arista (por ejemplo, A 1 A 2  3  4  ′3  ′4 ). A la región definida en a) le corresponde una esfera
inscrita. A las regiones definidas en b), no les corresponde ninguna esfera inscrita tangente a las
cuatro caras, pues, por ejemplo, la esfera situada en el triedro A 1  2  3  4 , no puede ser tangente a la
cara A 2 A 3 A 4 . A las regiones definidas en c), les corresponde cuatro esferas, una por cada tronco,
llamadas esferas exinscritas. En cuanto a los seis "tejados", definidos en d), pueden tener uno de
cada dos, cuyas aristas sean opuestas, una esfera tangente o ninguna; por tanto, en estas regiones,
puede haber una, dos, tres o ninguna esfera tangente a las cuatro caras. En total, hay como mínimo
cinco esferas tangentes a los cuatro planos de un tetraedro (una inscrita y cuatro exinscritas), y
como máximo, ocho esferas.
Nota: Para estudiar en detalle las regiones d), se utilizan a continuación las coordenadas
tetraédricas de un punto M del espacio, definidas como las distancias del punto a las caras del
tetraedro, consideradas como positivas si el punto y el vértice están en el mismo lado de la
correspondiente cara, y negativas en el caso contrario. Las coordenadas tetraédricas de un punto
del espacio, satisfacen la relación s 1 x 1  s 2 x 2  s 3 x 3  s 4 x 4  3v, siendo s k el área de la cara
opuesta al vértice A k , y v el volumen del tetraedro. Siendo r el radio de la esfera tangente a las
caras del tetraedro, situada en una región d), en la que la arista es A i A k y la arista opuesta A ′i A ′k , las
coordenadas del centro de la esfera son: x i  r, x k  r, x ′i  −r, x ′k  −r. Luego
3v
, con lo que si s i  s k  s ′i  s ′k, , hay una esfera tangente en el "tejado"
r
s i  s k − s ′i − s ′k
definido por la arista A i A k , no pudiendo haberla en el correspondiente a la arista opuesta. Si
s i  s k  s ′i  s ′k , no hay esfera tangente en ninguno de los dos "tejados".
J 25- Construir un tetraedro conociendo los seis puntos medios de las aristas. Definir las condiciones
de posibilidad de la construcción.
Solución: Las rectas que unen los puntos medios de aristas opuestas de un tetraedro, se cortan en
un punto que es el punto medio de cada una de dichas rectas. Luego los puntos medios de las seis
aristas del tetraedro, forman un octaedro cuyas aristas opuestas son iguales y paralelas. Tomando
tres puntos medios, se obtiene un plano que es una de las caras del octaedro. Se traza el triángulo
cuyo triángulo mediano es el anterior, y este triángulo es una cara del tetraedro. Procediendo de la
misma forma con otra cara, se obtiene el cuarto vértice. La condición de posibilidad consiste en
que los seis puntos dados deben formar un octaedro cuyas aristas opuestas han de ser iguales y
paralelas.
J 26- Demostrar que en un tetraedro 1º) Las tres rectas que unen los puntos medios de aristas opuestas
se cortan en un mismo punto G, que es el punto medio de cada una de ellas. 2º) Los seis planos
medianos (planos que pasan por una arista y por el punto medio de la arista opuesta) pasan por G.
3º) Las cuatro medianas (rectas que unen cada vértice con el centro de gravedad de la cara opuesta)
pasan por G, que está situado a 1 de la mediana a partir del centro de gravedad de la cara.
4
Solución:
V
P
A
N
T
S
G
B
D
M
Q
R
C
Sea el tetraedro VBCD. Los puntos medios de las aristas son A, N, P, R, Q y M. 1º) Las rectas AQ
243
y PR son diagonales del paralelogramo APQR, cortándose en su punto medio G. Lo mismo para
AQ y MN, que por la misma razón se cortan en G. 2º) El plano VBQ, que contiene a la recta AQ,
pasa por G. De la misma forma los otros cinco planos medianos también pasan por G. 3º) Los
triángulos SGT y GBD son semejantes, luego ST  SG . Las medianas NB y ND dan
BD
GD
NS  NT  ST  1 . Luego, SG  1 , y SG  1 . Por tanto, el punto G es el baricentro
NB
ND
BD
3
GD
3
SD
4
o centro de gravedad del tetraedro.
J 27- Demostrar que el punto G, intersección de las medianas, es el centro de gravedad del conjunto de
las caras del tetraedro.
Solución: Sustituyendo una cara del tetraedro por su centro de gravedad con coeficiente tres, el
centro de gravedad del tetraedro está a 3 de la mediana contando a partir del vértice opuesto, es
4
decir que está en G. Sustituyendo las cuatro caras, su centro de gravedad es G.
J 28- Demostrar que los planos bisectores de los diedros de un tetraedro, dividen a las aristas opuestas
en dos segmentos proporcionales a las áreas de las caras que forman el diedro.
Solución:
B
C
W
D
A
Sea ABW el plano bisector del diedro cuya arista es AB. Se tiene que S BCW  WC , por tener los
WD
S DBW
triángulos SWC y SWD la misma altura. Las pirámides BWAC y BWAD tienen la misma altura, por
lo que V BWAC  S BCW  WC . Como las distancias de W a ABC y a ABD son iguales, se tiene
V BWAD
WD
S DBW
S
V
WC
BWAC
BCA


.
que
V BWAD
WD
S BDA
J 29- Demostrar que en un tetraedro cuyas aristas son tangentes a una esfera, la suma de las aristas
opuestas es constante.
Solución:
Sea el tetraedro ABCD, y sean E, F, G, H, I y J los puntos de tangencia
respectivamente, de AB, AC, AD, BC, BD y CD. Como AE  AF, BE  BI, CJ  CF, DJ  DI, se
tiene que AE  EB  CJ  DJ  AF  BI  CF  DI  AC  BD.
J 30- Demostrar que en todo paralelepípedo, la suma de los cuadrados de las cuatro diagonales es igual
a la suma de los cuadrados de las doce aristas.
Solución: Las cuatro diagonales del paralelepípedo se cortan en un punto, formándose seis
paralelogramos al combinar dos a dos las cuatro diagonales. Aplicando a cada paralelogramo que
la suma de los cuadrados de sus diagonales es igual a la suma de los cuadrados de sus cuatro lados,
y sumando las seis igualdades, se obtiene lo expuesto en el enunciado.
244
J 31- Demostrar que si por un punto P, situado en el interior de una esfera de radio R y centro O, se
trazan tres planos perpendiculares entre sí, la suma de las áreas de los círculos que determinan en
la esfera, es constante.
Solución:
B
E
P
C
a
b
D
c
O
A
F
Cortando el conjunto por un plano que pase por OP, se tienen las trazas de los tres planos,
AB, CD, EF. Trazando desde O las perpendiculares a los tres planos, se tienen los pies a, b, c. Se
tiene: Oa 2  R 2 − aB 2 , Ob 2  R 2 − bD 2 , Oc 2  R 2 − cE 2 . Sumando estas tres igualdades y
multiplicando por , se tiene: Oa 2  Ob 2  Oc 2   3R 2 − aB 2  bD 2  cE 2 . Ahora bien,
como Oa, Ob, Oc son las aristas de un paralelepípedo recto de diagonal OP, se tiene:
aB 2  bD 2  cE 2   3R 2 − OP 2 , constante.
J 32- Se da una esfera de centro O, y un punto A. Se corta la esfera por un plano P, y se toma el círculo
así obtenido como directriz de un cono que tiene por vértice A. Este cono corta de nuevo a la esfera
según una circunferencia situada en el plano Q. Demostrar que si se hace variar el plano P de
manera que pase siempre por un punto fijo B, el plano Q pasa también por un punto fijo C.
Solución:
M
N
O
⋅
A
B
C
M’
N’
Cortando la esfera por el plano OAB, las secantes BMN forman una involución sobre el círculo
sección. Proyectándola desde A, se tiene otra involución M ′ N ′ . Las rectas M ′ N ′ pasan por un punto
fijo C, que es el punto de Frégier de esta involución. Por tanto, todos los planos Q pasan por C.
J 33- Determinar razonadamente los valores numéricos entre los que puede oscilar el número V de
vértices de los poliedros convexos de cien aristas.
Solución: Como 2A  3V, 200  3V, luego el número de vértices ha de ser igual o menor que 66.
Como 2A  3C, el número de caras ha de ser igual o menor que 66. Como V  C  102, el número
de vértices ha de ser mayor que 102 − 66, es decir ≥ 36. Luego 36 ≤ V ≤ 66.
245
J 34- Demostrar que los planos polares de un punto cualquiera del espacio respecto a las esferas de un
haz, pasan por una determinada recta fija.
Solución:
p
n
O
P
M
Q
m
En el plano, las polares de un punto P cualquiera respecto a un haz de círculos, pasan por un punto
fijo. En efecto, sea O un círculo del haz y sea m el eje radical del haz. Sea n el eje radical de P y O,
que equidista de P y de su polar p respecto a O. El punto M, intersección de m y n, tiene la misma
potencia respecto a P y a todos los círculos del haz. Luego todos los ejes radicales de P y de
cualquier círculo del haz, pasan por M. Como el eje radical correspondiente a un punto y a un
círculo, equidista del punto y de su polar respecto a dicho círculo, las polares de P respecto a todos
los círculos del haz, pasan por Q, simétrico de P respecto de M. Razonando similarmente en el
espacio, sea  una esfera del haz, y  el plano radical del haz. Sea  ′ el plano radical de P y ,
que equidista de P y de su plano polar  ′′ respecto a . Todos los puntos de la recta m,
intersección de  y  ′ , tienen la misma potencia respecto a P y a todas las esferas del haz. Luego
todos los planos radicales de P y de cualquier esfera del haz, pasan por m. Como el plano radical
correspondiente a un punto y a una esfera, equidista del punto y de su plano polar respecto a dicha
esfera, los planos polares de P respecto a todas las esferas del haz, pasan por la recta n, situada en
el plano formado por p y m, y tal que la recta m equidista de ella y de P.
J 35- Demostrar que la intersección de una superficie cilíndrica de revolución con una superficie
cónica de revolución, es una línea esférica.
Solución:
A
H
M
A’
C
D
M’
O
B
B’
V
Sea la base del cilindro de revolución la circunferencia de centro O y radio r, siendo sus
generatrices perpendiculares al plano de la base. Sea V el vértice del cono, situado en dicho plano,
siendo  el ángulo cónico formado por sus generatrices con el eje, y sea este la perpendicular
trazada por V al plano del círculo de centro O. Sea VBA una generatriz del cono, cuya proyección
sobre el plano del círculo, es VA ′ B ′ . Los puntos de dicha generatriz, comunes con generatrices del
cilindro, son A y B. Siendo M el punto medio de AB, se traza por él el plano perpendicular a VAB,
que corta a VO en D, y a VA ′ en C. Siendo M ′ la proyección de M sobre el plano del círculo, se
1
tiene: VC  VM , VM ′  VM sin , VD  VO  VC
 VO  VM 
 VO2 .
sin 
sin  VM sin 
VM ′
sin 
246
VO . Como
2

sin
2
′
′
2
2
−
r
VO
VA
VB
VO
2
2
2
VB  VA  VD − AD 
−
AD
,
y
siendo
VA

VB



, se tiene:
sin  sin 
sin 4  2
sin 2 
2
2
2
2
2
2
AD 2  VO4 − VO 2− r  VO cos  4 r sin  , que es constante. Por tanto, siendo D fijo, y
sin 
sin 
sin 
constante la distancia AD, el lugar geométrico de A es una línea esférica.
J 36- Demostrar que en un tetraedro de aristas opuestas ortogonales, los productos de las aristas
opuestas son inversamente proporcionales a sus mínimas distancias.
Solución: Sean aa ′ , bb ′ , cc ′ , las aristas opuestas de un tetraedro ABCD. Y sean , ,  sus
respectivas distancias mínimas. El volumen del tetraedro viene dado por las expresiones
′
′
′
′
cc ′ 
bb ′ 
V  aa  

. Luego: aa  bb  cc .
6
1
1
1
6
6



Luego D es un punto fijo situado en VO a una distancia de V igual a
247
248
Sección K - ÁREAS Y VOLÚMENES
K 1- El desarrollo del área lateral de un tronco de cono es un sector de corona circular de radios 1 cm y
15 cm, y de ángulo central  rad. Calcular el área total y el volumen del tronco de cono.
5
Solución:

Área lateral del tronco de cono: 15 − 1   5  22, 4 cm 2 . Radio de la base menor:
2
2  15    1
2  1    1
5 2  1, 5 cm. Área de la
5 2  0, 1 cm. Radio de la base mayor:
2
2
base menor: 0, 01 cm 2 . Área de la base mayor: 2, 25 cm 2 .
Área total: 22, 4  2, 26  24, 66 cm 2  77, 58 cm 2 .
Altura del tronco de cono: 15 − 1 2 − 1, 5 − 0, 1 2  194, 04 .
Volumen del tronco de cono:  194, 04 1, 5 2  0, 1 2  1, 5  0, 1  11, 19 cm 3  35, 15 cm 3 .
3
K 2- ¿A qué distancia del centro de una esfera de radio R hay que trazar un plano para que la relación
5 −1
de las áreas de los dos casquetes sea
?
2
Solución:
2
2
d
R
Área de la esfera: 4R 2 . Área del casquete menor: 2Rh  2RR − d. Área del casquete mayor:
2RR − d
5 −1
4R 2 − 2RR − d. Luego

. De donde d  R 5 − 2 .
2
2
4R − 2RR − d
K 3- Un aviador se eleva a 12 km sobre el nivel del mar. Supuesta la Tierra esférica y de radio
6400 km, hallar el área visible desde esa altura.
Solución:
A
Q
P
O
La superficie del casquete visible es:
2
2RR − OQ  2  6400 6400 − R
6412
 153312, 539  481645, 5462 km 2 .
249
K 4- Circunscribir a una esfera dada, un cono de revolución de volumen mínimo, con la base tangente
a la esfera.
Solución:
Siendo R el radio de la esfera, r el radio de la base del cono, y h su altura, el volumen del cono es:
2 2
V    R h . Derivando e igualando a cero: 2hh − 2R − h 2  0. De donde h  4R, y
3 h − 2R
2
r  R  4R  R 2 . Luego la altura del cono es 4R y el radio de su base R 2 .
4R − 2R
K 5- Determinar los elementos del dodecaedro regular, en función de su arista a.
Solución:
B
G
A
C
O
F
D
E
5 1
.
2
a 52 5
2
.
Altura del pentágono de las caras: h  d 2 − a 
4
2
a2 5  2 5
2
2
2
Distancia  entre dos aristas opuestas:
    − a  a . De donde,
4
4
4
4
2
a3  5 
.

2
a 3
5 1
Radio de la esfera circunscrita: R   
.
4
2
a 3 5
.
Radio de la esfera tangente a las aristas:    
2
4
a 18  6 5
a 3
5 1
2
2
 a2 

.
Diagonal: Δ  a 3  5
4
2
2
2
25  11 5
4a 2
 a
.
Radio de la esfera inscrita: r  a 3 6  2 5 −
2
16
10
10 − 2 5
Diagonal del pentágono de las caras: d 
a
25  11 5
.
10
1 5
 116º33 ′ 54 ′′ 2.
Ángulo de dos caras: 2 arctan
2
Área: S  30a a 25  10 5  3a 2 25  10 5 .
10
3
3
Volumen: V  S r  a 470  210 5  a 7 5  15 .
4
4
3
Altura: D  2r  a
250
K 6- Probar que si la distancia desde el vértice de un triedro trirrectángulo al centro de una esfera es
constante, también lo es la suma de las áreas de las secciones producidas en la esfera por las caras
del tetraedro.
Solución:
R1
d1
R
D d3
d2
d1
Siendo R i el radio del círculo que se forma al cortar la esfera por el plano de una cara del triedro, y
d i la distancia del centro de la esfera a dicho plano, se tiene:
S  R 21  R 22  R 23   3R 2 − d 21  d 22  d 23   3R 2 − D 2 , que es constante.
K 7- Hallar el volumen de una lente esférica biconvexa, en función de su área y de su máximo espesor.
Solución:
A
H C
O D
O’
B
Se conoce S  s  s ′ y E  e  e ′ , siendo s y s ′ las superficies de los casquetes esféricos de las
lentes, y e y e ′ sus espesores (alturas de los casquetes). S  r 2  e 2   r 2  e ′2 , siendo r el
2
′2
radio de la base de los casquetes esféricos. Luego r 2  S − e  e . El volumen de la lente es:
2
2
2
′2
V  v  v′   e r2  e
  e′ r2  e
. Operando, V  E 3S − E 2 .
3
3
2
2
12
K 8- Dada una recta r a una distancia d del centro de una esfera, trazar n − 1 planos que pasen por ella,
dividiendo el área de la esfera en n partes equivalentes.
Solución:
A
K GC
E
I
D
B
F
J
H
L
O
P
Superficie del casquete ACB: 2R  CD  2Rh. Superficie del casquete EGF:
2R  GH  2  2Rh. Luego GH  2h. Superficie del casquete IKJ: 2R  KL  3  2Rh. Luego
KL  3h, y así sucesivamente, siendo la altura del n − 1 casquete: n − 1h. Luego
4R 2 − 2Rn − 1h  2Rh, de donde h  2R
n . Luego han de trazarse n − 1 planos, siendo la
2
distancia del plano i al centro de la esfera d 2 − n −n 2i R 2 .
251
K 9- Hallar el volumen de un romboedro formado por seis rombos, conociendo el lado a de una cara y
la mayor de las diagonales d de una cara.
Solución:
B
T
A
T
P
A
C
M
P
El volumen del romboedro es seis veces el del tetraedro TABC, cuya base es un triángulo
equilátero de lado d, y cuya altura es la del triángulo ATP sobre su base AP, siendo P el punto
2
2
d2 3
d 2 3a 2 − d 2
medio de BC. Por tanto V  6  1 
 3a − d 
.
4
3
2
3
K 10- Hallar el volumen del tetraedro circunscrito a una pila de cuatro esferas de radio r, tangentes
entre sí.
Solución:
El lado del tetraedro formado por los centros de las esferas, es 2r, siendo el radio de la esfera
6
r 6

. El radio de la esfera inscrita en el tetraedro del
inscrita en este tetraedro r ′  2r 
12
6
6
1 .
enunciado es igual a r ′  r  r
6
6
 1  2r 1  6 .
Por tanto su lado es: a  12 r
6
6
3
2
El volumen del tetraedro es V 
2r 1  6
 2 19 2  18 3 r 3 .
12
3
K 11- Se considera un tronco de cono de bases paralelas y cuya altura mide 8 cm. Las áreas de las
bases miden 14 y 25 cm 2 . Trazar dos planos paralelos a las bases que dividan al tronco en tres
partes equivalentes.
Solución: El volumen del tronco de cono es:
8 39  5 14
14  25
V  1 8 14
 25


 153, 8888 cm 3 .



3
3
8 5
40 5  14

La altura del cono es: H 

 31, 7878 cm.
11
5 − 14

1
El volumen del cono es: 25  31, 7878  264, 8987 cm 3 .
3
252
El volumen del cono disminuido en un tercio del volumen del tronco de cono es:
153, 8888
 213, 6025 cm 3 .
264, 8987 −
3
1
213, 6025 3
 29, 5872 cm.
La altura de este cono es: 31, 7878
264, 8987
El volumen del cono disminuido en dos tercios del volumen del tronco de cono es:
153, 8888
 162, 3062 cm 3 .
213, 6025 −
3
1
162, 3062 3
 26, 9989 cm.
La altura de este cono: 31, 7878
264, 8987
Luego los planos se trazarán a 2, 20 cm ( 31, 7878 − 29, 5872) y 4, 79 cm ( 31, 7878 − 26, 9989)
de la base mayor del tronco de cono.
K 12- En tres cajas iguales de forma cúbica, cuya arista es 1, 75 m, se desea colocar el mayor número
posible de pastillas de jabón cúbicas de 1 dm de lado en la primera, cúbicas de 0, 5 dm de lado en la
segunda, y paralelepipédicas de base cuadrada de 1 dm de lado y 0, 5 dm de altura en la tercera. 1º)
Hallar el número máximo de pastillas en cada caja. 2º) Hallar el hueco que queda después de que
se hayan colocado las pastillas. 3º) Qué dimensiones ha de tener cada caja, de forma que no quede
ningún hueco tras colocar el número de pastillas calculado anteriormente.
Solución: Seguidamente se resuelven las tres cuestiones para cada tipo de caja.
A) Primera caja:
1º) 17 3  4913 pastillas. 2º) 17, 5 3 − 4913  446, 375 dm 3 . 3º) 17 dm  17 dm  17 dm.
B) Segunda caja:
17, 5 3
1º)
 42875 pastillas. 2º) No queda hueco. 3º) Las dimensiones dadas.
0, 5
C) Tercera caja:
1º) 17 2  35  2  17 2  10693 pastillas. 2º) 17, 5 3 − 10693  0, 5  12, 875 dm 3 .
3º) 17 dm 17 dm  18, 5 dm.
K 13- Circunscribir a una esfera dada, una pirámide regular de n lados de volumen mínimo, hallando
este volumen.
Solución:
A
M
O
B
H
C
Es el mismo problema que el de circunscribir a la esfera un cono de volumen mínimo. Siendo
AH  h
,HB  MB  a
y
OM  OH  R,
se
tiene
AM 2  h − R 2 − R 2
y
2
2
2
2Ra
1
2
2
2
2
2
AB  a  h − R − R
 a  h , de donde h  2
. El volumen es V  a h,
3
a − R2
2
2
4
   − 4R
, que será
por lo que será mínimo cuando lo sea 2 a 2  . Luego a 
2
a −R
mínimo para   4R 2 , con lo que a  R 2 y h  4R. Siendo l el lado del polígono de la base y a
2 2
la apotema, V  1 n la h 
nlR 2 .
3
3 2
253
K 14- Se da un tetraedro de vértice V y de base un triángulo ABC. Su volumen es 27 m 3 . Siendo M, N
y P los baricentros de las caras laterales, se unen entre sí y con los vértices de la base, formándose
un cuerpo cuyo volumen se pide.
Solución:
A
D
C’
I
P
M
B’
V
E
H
N
F
B
G
C
A’
Estando situadas las bases en planos paralelos y siendo sus caras triángulos, se aplica la fórmula
V  h B  B ′  4B ′′ , en la que h es la distancia entre las dos bases, B y B ′ son las superficies de
6
dichas bases, y B ′′ la superficie de la sección equidistante de las dos bases. En la figura se ha
proyectado sobre la base, el cuerpo MNPABC cuyo volumen se pide. El volumen del tetraedro es
V VABC  1  S ABC  H  27. El volumen pedido es V MNPABC  1  h  S ABC  S MNP  4S DEFGHID ,
3
6
siendo DEFGHID, la sección media del cuerpo. La superficie del triángulo MNP es
S MNP  1 S ABC , pues sus lados son un tercio de los del triángulo ABC. La superficie de la sección
9
media es: S DEFGHID  S ABC − 1 S AMP  S BMN  S CPN  − 3 S ABM  S BCN  S CAP  
4
4
 S ABC − 1 S ABC − S MNP  − 1 S ABM  S BCP  S CAN   S ABC − 8 S ABC − 1 S ABC  11 S ABC .
49
4
23
18
2
La altura del cuerpo es h  H . Por tanto, aplicando la fórmula expuesta al principio,
3
V MNPABC  1  H  S ABC 1  1  4  11  1  27  32  16 m 3 .
9
6 3
9
18
6
K 15- En una esfera se inscribe un cono equilátero. Trazar un plano paralelo a la base, de tal forma que
la diferencia de las secciones producidas en cono y esfera, sea máxima o mínima.
Solución:
A
D
E
F
O
B
H
C
En la figura se presenta la sección EF del cono y DF de la esfera, por un plano perpendicular a la
base BC del cono y pasando por el centro O de la esfera. Sea h  FH, AB  AC  BC  R 3 ,
AH  3R , EF  3R − 2h , DF  1 3R − 2hR  2h . La diferencia de las secciones es:
2
2
2 3
2
3R − 2hR  2h
3R − 2h

−
 2 h3R − 2h. La diferencia es máxima para h  3R ,
4
12
4
3
2
tomando el valor de 3R . La diferencia es nula (mínima) para h  0, o para h  3R .
2
4
254
K 16- Dos cuadrados iguales están situados en planos paralelos. Sus centros están sobre una misma
perpendicular a dichos planos, y las diagonales de uno son perpendiculares a los lados del otro.
Siendo a el lado de los cuadrados, y h la distancia entre los dos planos, hallar el volumen del
prismatoide formado.
Solución:
B
K
J
E
F
R
I
L
A
O
C
Q
M
H
G
P
N
D
Se aplica la misma fórmula que en el problema K 14.
V  h a 2  a 2  4  S IJKLMNPQI   h a 2  16  S OKL . La superficie del triángulo OKL es:
6
3
S OKL  OR  KR  OK 2 − KR 2  KR  OB 2 − BK 2 − KR 2  KR. Como KR  a ,
4
a 2 1  2 
2− 2
a
OB 
, BK  a
, la superficie del citado triángulo es: S OKL 
. Luego
8
16
2
2
el volumen del prismatoide es: V  ha 2  2 .
3
K 17- Determinar la posición de un punto en el interior de un tetraedro, de modo que unido con los
vértices, se formen cuatro tetraedros equivalentes.
Solución: Sean S 1 , S 2 , S 3 y S 4 las superficies de las cuatro caras del tetraedro. Sean x 1 , x 2 , x 3 y x 4
las distancias del punto buscado a las cuatro caras (coordenadas tetraédricas del punto). Siendo V
el
volumen
del
tetraedro,
se
tiene
3V  x 1 S 1  x 2 S 2  x 3 S 3  x 4 S 4 .
Como
S
h
3V
3V
1h1
1
x1S1  x2S2  x3S3  x4S4 
, x1 


. Luego las coordenadas
4S 1
4
4
4S 1
tetraédricas del punto pedido son las del centro de gravedad del tetraedro, siendo este el punto
pedido.
K 18- Calcular el radio r de la base y la altura h de un cono recto, sabiendo que su volumen es igual al
de una esfera de radio R, y que su superficie total está en relación con la de dicha esfera como
están entre sí los volúmenes de los conos equiláteros circunscrito e inscrito a una misma esfera.
Solución: Se tiene que  r 2 h  4 R 3 , luego r 2 h  4R 3 . El volumen del cono circunscrito es 8
3
3 2
r  rg
 8, siendo g la generatriz del cono, es decir
veces el del inscrito, por tanto
4R 2
g  r 2  h 2 . Operando se obtiene la ecuación h 2 − 256Rh  64R 2  0, de donde
R
 R
17  15 .
h  8R 16  255 , y r 
2
32  2 255
255
K 19- Dos pirámides cuadrangulares tienen iguales los lados de sus bases que miden 3 m. Sus bases
están situadas en el mismo plano, teniendo un lado AB común. Los vértices V y V ′ están situados a
distinto lado del plano de la base, siendo sus alturas 5 m y 2 m. Determinar el volumen del tetraedro
que la recta VV ′ forma con AB.
Solución:
V
O
M
H
P
O’
V’
El volumen de un tetraedro en función de dos aristas opuestas, es V  1 abh sin , en donde a y b
6
son las longitudes de las aristas opuestas, h la mínima distancia entre ellas, y  el ángulo que
forman entre sí. En la figura se representa una sección por el plano perpendicular a las bases
pasando por los vértices de los tetraedros. Las proyecciones de los vértices sobre el plano de la
base, son O y O ′ , siendo OO ′  3 m. Siendo M el punto medio de AB, la mínima distancia entre AB
y VV ′ es MH  h. Siendo P el punto de intersección de VV ′ con la base, se tiene
15 − 3
7
OP  O ′ P  3 − OP . Luego OP  15 , OM  3 , h  MP 
9 .
2 ,h
7
VP
2
2 5
VO
V′O′
VO ′
2
58
15
25  2
7
Como AB y VV ′ son perpendiculares,   90º. Como VV ′  58 , el volumen pedido es
 9 m3 .
V  1  3  58  9
4
6
2 58
K 20- Se dan dos tetraedros con una arista común, siendo iguales los diedros correspondientes a dicha
arista. Demostrar que los volúmenes de dichos tetraedros están entre sí como los productos de las
superficies de las caras que forman los citados diedros.
Solución:
C’
B
D’
D
A
C
El volumen V del tetraedro ABCD es igual a 1 S ABD  H C , donde H C es la altura de C sobre ABD.
3
Siendo h C la altura sobre AB del triángulo ABC, se tiene H C  h c sin , donde  es el ángulo del
diedro formado por los planos ABC y ABD. Ahora bien, S ABC  1 AB  h C , luego
2
2

S
2

S
ABC  sin 
ABC  sin 
1
HC 
. Por tanto, V  S ABD 
. Análogamente, el volumen V ′ del
AB
AB
3
2  S ABC ′  sin 
tetraedro ABC ′ D ′ , es: V ′  1 S ABD ′ 
. De donde V′  S ABC  S ABD .
S ABC ′  S ABD ′
AB
3
V
256
K 21- En un cubo de arista a, se trazan los planos diagonales ABC ′ D ′ y A ′ B ′ CD, y un tercer plano,
paralelo a la base, cuya sección MNPQ queda dividida en tres partes iguales por dichos planos
diagonales, estando situado al mismo lado que la base ABCD respecto al centro del cubo. Calcular
el volumen del cuerpo que forman los cuatro planos siguientes: los dos planos diagonales citados,
el plano MNPQ y el plano ADB ′ C ′ , estando el cuerpo situado debajo de este último plano.
Solución:
D’
C’
B’
A’
A’
B’
C’
D’
α
Q
N
M
D
A
C’
B’
P
N
P
B
C
a/6
γ
μ
δ
λ
β
C
B
A
B
A’
B’
Los tres planos A ′ B ′ CD, ABC ′ D ′ y MNPQ forman con el cubo un prisma de altura a y base un
2
triángulo isósceles rectángulo de hipotenusa a . El área de este triángulo es a . El plano ADB ′ C ′
3
36
corta al prisma según se ve en las dos últimas figuras de la derecha, formándose por debajo de este
2
plano, un tronco de prisma cuya sección recta es a , siendo sus tres aristas laterales   2a ,
3
36
  2a ,   a . El volumen pedido de este tronco de prisma es:
2
3
2a  2a  a
3
3
2
3
a2
 11a .
36
3
648
3
Nota: El volumen del tronco de prisma que queda por encima del plano ADB ′ C ′ es: 7a .
648
K 22- Se da una esfera de radio R, un cilindro circunscrito cuyo eje es el diámetro AB de la esfera, y
un cono de vértice A cuya base es la misma que la del cilindro, estando situada en el plano tangente
a la esfera en el punto B. Calcular en función de R, la distancia de A al plano secante perpendicular
a AB, cuyas secciones con el cono, la esfera, y el cilindro, son círculos cuyas áreas S 1 , S 2 y S 3 ,
están en progresión aritmética.
Solución:
A
O
E
D
H
G
C
F
B
Siendo OC  d, se tiene que los radios de las tres secciones son: con el cono, CG  R  d ; con la
2
esfera, CD  R 2 − d 2 ; y con el cilindro, CE  R. Como CE 2 − CD 2  CD 2 − CG 2 , se
2
2
2
tiene que R 2 −
R2 − d2

R2 − d2
− R  d . De donde operando se obtiene la
2
−1  2 7
2
2
R. Por lo que
ecuación 9d  2Rd − 3R  0, cuyas raíces son d 
9
82 7
AC  R  d 
.
9
257
K 23- Una esfera de radio 5 m y un cilindro recto de radio de la base 4 m, descansan sobre un mismo
plano. Se trazan dos planos paralelos al de la base, cuya distancia mutua es de 1 m, de forma que la
superficie total de la zona esférica que estos dos planos interceptan en la esfera (incluyendo las
superficies de los dos círculos sección) es igual a la superficie total que dichos dos planos
interceptan en el cilindro. Calcular los radios de las secciones producidas en la esfera, y las
distancias de los dos planos al plano de la base.
Solución:
A
O
B
M
N
P
Siendo h  OM, la superficie total de la zona esférica es:
25  1   25 − h − 5 2  25 − h − 4 2  −2h 2  18h  19. La superficie total del tronco
de cilindro es 24  24 2  40. Igualando las dos expresiones, se tiene 2h 2 − 18h  21  0, de
11  39
9  39
my
m. Los radios
donde las distancias de los planos al plano de la base, son
2
2
30  39
de las secciones de la esfera, son
m.
2
K 24- Se dan dos circunferencias O y O ′ , tangentes entre sí, de radios R  3 y r  0, 3. 1º) Calcular el
área engendrada por la tangente común AB al girar alrededor de OO ′ . 2º) Calcular dicha área en
función de las áreas S 1 y S 2 , que engendran las semicircunferencias DAE y EBF al girar en torno a
OO ′ . 3º) Hallar el volumen comprendido entre AB y los arcos AE y BE al girar en torno a OO ′ .
Solución:
A
M
B
N
D
O P
O’ Q
E
F
C
En la figura no se ha mantenido la proporción entre los radios de los dos círculos, con objeto de
obtener una mayor claridad en el dibujo. 1º) El área engendrada por AB al girar alrededor de OO ′
es
S  2  ME  AB  2  AB  AB  OO ′2 − ON 2    R  r 2 − R − r 2  4Rr  3, 6.
2
2º) Como S  4Rr  4R 2  4r 2  S 1  S 2 , es decir que S es la media proporcional de
S 1 y S 2 . 3º) El volumen V engendrado por ABE es igual a V 1 − V 2 − V 3 , siendo V 1 el engendrado
por AB, V 2 el engendrado por el arco AE, y V 3 el engendrado por el arco BE. Se tiene
3
RR − r
rR  r
RR  r
,
OP 
,
AP 2  4R r ,
PQ  4Rr ,
CO ′ 
,
CO 
Rr
R−r
R−r
Rr
Rr
3
rR
−
r
, BQ  4Rr .
O′Q 
Rr
Rr
2 2
Por tanto, V 1    PQ  AP 2  BQ 2  AP  BQ    16R r 2 R 2  r 2  Rr,
3
3 R  r
3 2
2 3
EQ
V 2    PE 2 R − PE  4R r 3 3R  r, V 3    EQ 2 r −
 4R r 3 R  3r.
3
3
3R  r
3R  r
2 2
r
4R
18
De donde, V 

.
55
3R  r
258
K 25- Se da un decágono de lado DB inscrito en una circunferencia de diámetro FD. Se traza el lado
AD de un pentágono inscrito en dicha circunferencia. Por B se traza BE paralela a FD, que corta en
C a AD. Siendo 1 el radio de la circunferencia, calcular el área del triángulo ABC y el volumen que
engendra al girar alrededor de FD.
Solución:
A
I
G
E
F
H’
M
H C
N’
O
N
B
P
Q D
5 −1
. El lado del decágono regular
2
10  2 5
5 1
. La apotema del decágono regular convexo es OG 
,y
estrellado es EB 
4
2
10 − 2 5
.
la del estrellado es OM 
4
10  2 5 − 10 − 2 5
.
Luego AH  MG  OG − OM 
4
5 −1
5− 5
, ND 
.
Además, 2  HB  EB − IA  1, HB  1 , 2  ND  2 −
4
2
2
5−2 5
. Luego
Los triángulos AHC y AND son semejantes, de donde HC  ND  AH 
AN
2
Por
tanto
la
superficie
del
triángulo
ABC
es
CB  HB − HC  5 − 2.
5 −2
10  2 5 − 10 − 2 5
S ABC  1  BC  AH 
. El volumen V pedido es igual a
8
2
V 1 − V 2 − V 3 , siendo V 1 el volumen del tronco de cono engendrado por AB, V 2 el volumen del
tronco de cono engendrado por AC, y V 3 el volumen del cilindro engendrado por BC. Como
 5 5
 15 − 5 5
 7 5 − 15
V1 
, V2 
, V3 
, se tiene que:
24
24
8
 35 − 15 5
V
.
24
K 26- Se da un prisma triangular recto ABCA ′ B ′ C ′ , siendo G y G ′ los centros de gravedad de sus
bases. Sea PQ un segmento cualquiera en el espacio. Se unen los puntos P y Q con los vértices del
prisma, formándose tres tetraedros PQAA ′ , PQBB ′ y PQCC ′ . Calcular la suma de los volúmenes de
estos tres tetraedros en función del volumen del tetraedro PQGG ′ .
Solución:
El lado del decágono regular convexo es IA  BD 
P
d1
A1
d3
G1
dg
d2
C1
B1
Q
Sean: a, la arista lateral del prisma, que es igual a GG ′ ; , el ángulo que forman estas aristas y GG ′
con PQ; d 1 , d 2 y d 3, las mínimas distancias entre PQ y las tres aristas laterales; g, la mínima
distancia entre GG ′ y PQ. La suma V de los volúmenes de los tres tetraedros, es
a  PQ  sin   d 1  d 2  d 3 , y el volumen v del tetraedro PQGG ′ es a  PQ  sin   g. Los
6
6
puntos A 1 , B 1 , C 1 y G 1 , pies de las mínimas distancias trazadas, son coplanarios pues todos se
hallan en el plano que pasa por PQ y es perpendicular a las aristas laterales y a GG ′ . Como G 1 es
el centro de gravedad del triángulo A 1 B 1 C 1 , se tiene que 3g  d 1  d 2  d 3 . Por tanto V  3v.
259
K 27- Se considera un cono de revolución de vértice V, altura h, y radio de la base R. 1º) Determinar
en el círculo de la base una cuerda AB tal que el área S del triángulo AVB venga dada en función de
la distancia x del centro O de la base a AB. 2º) Determinar los lados y los ángulos del triángulo
AVB para que su área sea mínima.
Solución:
V
O
B
H
A
1º) El área del triángulo AVB es S AVB  AH  VH 
R 2 − x 2  h 2  x 2 , de donde se obtiene
R 2 − h 2  R 2  h 2  2 − 4S 2
que: x 
. 2º) Para que S sea mínimo, también lo será el valor de
2
2
2
S 2  R 2 − x 2 h 2  x 2 , es decir cuando R 2 − x 2  h 2  x 2 , de donde x  R − h .
2
2
2
Por tanto: S  R  h , AB  2R 2  h 2  , y VA  VB  R 2  h 2 . Los ángulos miden
2
VAB  VBA  45º, AVB  90º.
K 28- Calcular los ángulos de un trapecio y el volumen engendrado por él al girar alrededor de su base
mayor, sabiendo que esta mide 1 m, que las diagonales miden también 1 m, y que la base menor es
igual al lado oblicuo.
Solución:
B
A
D
L
C
El trapecio ha de ser isósceles, como también los triángulos BDC y ACD, luego
CBD  BCD  ADC  ACD   y ABD  BAC  . En el triángulo ABC se tiene
        180º, y en el triángulo CBD se tiene      −   180º, de donde   72º y
  36º. Por tanto los ángulos del trapecio miden C  D  72º y A  B  108º. Por ser
BDC  72º, el lado BC es el de un decágono regular de radio 1, es decir
10 − 2 5
5 −1
AB  BC  AD 
, y BL es la mitad del lado del pentágono, o sea
. Por
4
2
14 − 6 5
. El volumen se compone de dos conos iguales de altura
tanto LC  BC 2 − BL 2 
4
LC y radio de la base BL, y de un cilindro de radio BL y altura AB. Luego el volumen pedido es:
14 − 6 5
5 5 − 1
10 − 2 5
10 − 2 5
5 −1
V  2 




.
16
4
16
24
2
3
260
K 29- Se da una pirámide VABCD, de vértice V, cuya base es un cuadrado de centro O y lado a. La
proyección H de V sobre la base es el punto medio de OD. El ángulo CVD es recto. 1º) Calcular la
altura h  VH y las cuatro aristas laterales. 2º) Por un punto K entre V y H, se traza un plano
paralelo a la base, que corta a la pirámide según un cuadrado MNPQ. Se considera el tronco de
pirámide que tiene por bases ABCD y MNPQ. Expresar en función de a y de VK  x, el área total S
del tronco de pirámide y el volumen V de la pirámide de vértice C y base MNPQ.
Solución:
V
Q
P
K
D
H
C
M
N
O
B
A
a 2
a 2
3a 2
, HD  HO 
, HB 
, HA  HC  a 5 ,
8
2
4
4
2
2
2
2
VD  DH 2  h 2  a  8h , VC  CH 2  h 2  5a  8h . Como VD 2  VC 2  a 2, , se
8
8
a
3
a
5
a 2
2 2x
tiene que h 
, VD  a , VC  VA 
, VB 
. 2º) VK  x 
a . Luego
VH
2
4
2
2
h
a
MN  NP  PQ  QM  2 2 x. La distancia de H a los lados CD y DA es , y a los lados AB y
4
a 11
3a
. Luego las alturas de las caras laterales de la pirámide son h AB  h BC 
y
BC es
4
4
a 3
h AD  h DC 
. Por tanto la suma de las áreas de las caras laterales del tronco de pirámide es
4
a 3
2 2xa h−x
a 11

2

.
2
4
4
h
a 3
a 11
2 2xa h−x

2

 a 2  8x 2 .
Luego: S 
2
4
4
h
4  11  3 a 2  8 4 − 11 − 3 x 2
a−2 2x
Como h − x 
,
S

.
a
4
h
2x 2 a 2 − 4x
2
2
.
El volumen de la pirámide CMNPQ es: V  8x  KH  8x h − x 
3
3
3
1º) BD  AC  a 2 , OD 
K 30- Se da una pirámide cuadrangular regular VABC de lado de la base 4 y altura 8. Se traza la
sección media en la que se inscribe el cuadrado de área mínima. Este cuadrado se toma como base
de otra pirámide regular de altura 8, cuyo vértice se encuentra del mismo lado que V respecto a la
sección media. Se prolonga la superficie lateral de esta última pirámide, hasta cortar a la base de la
dada. Hallar el volumen del tronco de esta segunda pirámide limitado por la citada sección y el
plano de la base de la dada.
Solución: El lado de la sección media es 2, y el lado del cuadrado de área mínima es 2 . Siendo
2
3 2
x el lado del cuadrado de la base mayor del tronco, se tiene
 x , luego x 
. El área
8
2
12
9
, la de la base menor es 2, y la altura es 4. El volumen pedido es
de la base mayor es
2
V  4 9  2  9  2  38 .
2
3
3 2
261
K 31- En una circunferencia de radio 5, se inscribe un triángulo ABC en el que la longitud del lado AC
es la del lado del triángulo equilátero inscrito, y la del lado AB es la del lado del exágono regular
inscrito. Se gira este triángulo alrededor del diámetro que pasa por A. Calcular la superficie y el
volumen del cuerpo engendrado.
Solución:
B
A
L
F
M
C’
O
E
B’
N
C
D
El lado AC mide 5 3 y el lado AB mide 5, con lo que el triángulo ABC es rectángulo en A, y el
lado BC pasa por el centro O de la circunferencia. Se forman los siguientes cuerpos: a) Cono de
radio de la base LB, generatriz AB, altura AL. b) Tronco de cono de radios de las bases LB y ME,
generatriz B ′ E, altura LM. c) Tronco de cono de radios de las bases ME y NC, generatriz EC, altura
MN. d) Cono de radio de la base NC, generatriz OC, altura ON. La superficie engendrada es igual a
la suma de las superficies laterales de los cuatro cuerpos. El volumen engendrado es igual a la
suma de los volúmenes de los tres primeros menos el volumen del cuarto, es decir que es igual a la
suma de los volúmenes de b) y c). Las longitudes que intervienen son: AB  5, AC  5 3 ,
5 3
5 3
5 3
5 3
, AL  5 , ME 
, B ′ E  5 , LM  5 , NC 
, EC 
, MN  5 ,
LB ′ 
2
2
4
4
2
4
2
2
OC  5, ON  5 . La superficie engendrada es:
2
25 11 3  9 
25 3 
75 3 
25 3 

 225 

.
8
2
8
2
8

875
7875
2625
El volumen engendrado es:


.
64
64
3
16
K 32- La base ABCDEF de un prisma exagonal regular mide 1039, 23. Por el lado AB de la base, pasa
un plano que forma un ángulo de 30º con el plano de la base, cortando a todas las aristas laterales.
Hallar la superficie total y el volumen del cuerpo comprendido entre el plano y la base.
Solución:
N’
D’
C’
E’
N
E
F’
D
C
O’
O
B
M
F
A
3 3 a2
Superficie del exágono ABCDEF 
 1039, 23, luego a  20. Apotema OM  10 3 .
2
′
′
NN  20, FF  10. Superficie lateral, S L  2  2020  10  1200. Superficie de la base
2  1039, 23
 1200. Superficie total, S T  3439, 23.
superior, S ABC ′ D ′ E ′ F ′ 
3
Volumen, V  1 1039, 23  20  10392, 30.
2
K 33- Un cono de revolución tiene su altura y el radio de la base iguales, e iguales a 18. En el cono se
introduce una esfera de manera que la parte del cono limitada entre el vértice y la superficie de la
esfera, es 1 del volumen del cono. Calcular el radio R de la esfera.
8
262
Solución:
A
F
H
D
E
C
B
O
Cortando por un plano que pasa por el eje del cono se tiene la sección de la figura. El cono dado es
el ABC, cuyo volumen es  18 3 . El volumen del cono ADE es  r 3 , siendo HE  r. En el
3
3
triángulo rectángulo isósceles OHE, se tiene R 2  2r 2 . La altura del casquete esférico es
R − r 2
FH  R − r. El volumen del casquete esférico es  R − r r 2 
. Luego el volumen
3
2
de la parte de cono limitada entre el vértice y la superficie de la esfera, es
2
2
 r 3 −  R − r r 2  R − r
  18 3 . Sustituyendo r 2  R , se obtiene:
3
2
3
2
24
1
3
R 3  729 3 2  4 , luego R  9 3 2  4
 18, 18.
K 34- Una pirámide regular VABCD tiene por base un cuadrado ABCD de lado a, siendo su altura
VH  2a. Sea M el punto medio de la arista VA, y N el de intersección de la arista VB con el plano
CDM.
1º) Calcular en función de a, las longitudes de las aristas laterales y de la apotema de la pirámide.
2º) Demostrar que el cuadrilátero CDMN es un trapecio isósceles. Calcular los lados y la altura de
2
este trapecio y deducir que su área es S  15a . 3º) Determinar un punto P sobre la perpendicular
16
por H al plano ABCD, de forma que el área lateral de la pirámide PABCD sea igual a k  S, siendo k
un número dado. ¿El resultado de la discusión se podría haber previsto?
Solución:
V
M
N
D
C
H
Q
A
1º) Las aristas miden: VA  VB  VC  VD 
B
2
VH 2  a
2

3a 2
.
2
2
a 17
.
4a 2  a 
4
2
2º) El punto N es también punto medio de VB, luego NC  MD. Y como MN es paralela a DC, el
cuadrilátero CDMN es un trapecio isósceles. Se tiene que MN  a y que NC es la mediana del
2
2
2
a 26
triángulo VBC, luego NC 
 MD. La altura del trapecio es: 26a − a  5a . La
4
4
16
16
a a
2
2  5a  15a . 3º) Haciendo KH  x, el área lateral de la
superficie del trapecio es: S 
4
2
16
2
2
a 225k 2 − 256
a
15a
k
2

, de donde x 
. Por tanto
pirámide PABCD es: 2a  x 
16
4
32
k ≥ 16 . Esta condición se podría haber previsto al considerar que el menor valor del área lateral
15
2
es a 2 , por lo que a 2 ≤ 15a k , luego k ≥ 16 .
15
16
La apotema mide: VQ 
263
K 35- Se da un cuadrado ABCD de lado 2a. Se considera un punto M del plano del cuadrado, distante
d de su centro, es decir MO  d. Uniendo M con los cuatro vértices, calcular la suma de los
volúmenes engendrados por los triángulos MAB, MBC, MCD y MDA al girar alrededor de AB, BC,
CD y DA, respectivamente. Aplicar al caso a  2, d  3.
Solución:
M
D
C
O
A
B
El triángulo MBC genera un volumen 2 d − a 2 a. El triángulo MDA genera un volumen
3
2 d  a 2 a. Los triángulos MCD y MAB generan en conjunto un volumen 2 a 2 2a. La suma de
3
3
los cuatro volúmenes es: 4 a2a 2  d 2 . Para a  2 y d  3, esta suma es 136 .
3
3
K 36- Se da un tronco de prisma recto triangular regular, midiendo 7 el lado del triángulo ABC de la
base. La otra base A ′ B ′ C ′ D ′ , es tal que AA ′  7 y BB ′  CC ′  2, 5. Se introduce en el tronco una
esfera, tangente a las tres caras y a la base ABC. Calcular el volumen de la esfera que queda fuera
del tronco.
Solución:
A’
G
H
M’
O
M
A
El radio R de la esfera es el del círculo inscrito en el triángulo equilátero ABC, por lo que
7 3
. En la figura se ha representado la sección por el plano que pasando por AA ′ , es
R
6
perpendicular a la cara BB ′ CC ′ , a la que corta según MM ′ , paralela media a las dos aristas BB ′ y
7 3
. La distancia OH viene dada por la expresión
CC ′ , siendo MM ′  2, 5 y AM 
2
97 3
7 3 7 3
49 3 −
−
28 3 − 24, 5
3
6
d

 1, 589268, luego GH  h  R − d 
2 57
81  3  49
 0, 431458. Por tanto, el volumen de la esfera que queda fuera del tronco, es:
V  h 2 R − h  1, 09766.
3
K 37- Calcular los tres lados de un triángulo, sabiendo que los volúmenes engendrados por este al
girar alrededor de cada uno de sus lados, son equivalentes a los de tres esferas que tienen por
1
1
1
radios 9 3 , 12 3 y 7, 2 3 .
Solución:
Se plantea el siguiente sistema de ecuaciones:  h 2a  a  4  9;
3
3
 h 2  b  4  12;  h 2  c  4  7, 2. Como h 2  4 pp − ap − bp − c, se tiene que
c
a
b
3
3
3
3
a2
a 2  h 2a
pp − ap − bp − c  
 9a  12b  7, 2c  . Luego a   , b   , c   , y
4
9
12
7, 2
264
por tanto 2p  a  b  c   1  1  1    , de donde p − a   −    ,
9
12
7, 2
3
6
9
18
p − b   , p − c   . Por lo que         , luego   36. Los lados son
12
36
6 18 12 36
a  4, b  3, c  5.
K 38- Un tronco de cono recto tiene de radio R de su base mayor 36 cm. Determinar el volumen
comprendido entre este tronco y el cilindro de igual altura h, mismo eje, y radio r igual al de la
base menor del tronco de cono, sabiendo que la generatriz del tronco de cono es la suma de los
radios de sus bases y que el volumen del cilindro es 38, 6 dm 3 .
Solución: El volumen pedido es V  h R 2  r 2  Rr − 38, 6, en dm 3 . Como R  3, 6 dm ,
3
2
2
2
h  R  r − R − r  2 Rr  12 r dm, y r  5h dm, se tiene que:
72
10
5
r 2 h  25h  38, 6 dm 3 , luego h  4, 8 dm, r  1, 6 dm.
5184
Por tanto, V  34, 048 − 38, 6  68, 36495 dm 3 .
K 39- Calcular el radio de una esfera para que la diferencia de secciones hechas en la esfera y en un
cono equilátero inscrita en ella, por un plano paralelo a la base del cono, tenga por valor máximo la
cantidad de 0, 248 m 2 . Calcular la distancia de este plano al vértice del cono.
Solución: Siendo x la distancia del plano al vértice del cono, el área de la sección del cono es
 x 2 , y la de la sección de la esfera x2R − x. La diferencia es
3
2
2
 x 2R − 4x . Este valor es máximo para x  3R , luego  3R  0, 248,
 2Rx − x 2 − x
4
3
4
3
R  0, 3244 m, x  0, 2433 m.
K 40- Una esfera de centro O se dilata concéntricamente. Con vértice en un punto M que dista d de O,
se trazan conos circunscritos limitados por el círculo de contacto. Hallar el volumen del cono
máximo que puede trazarse.
Solución: Siendo h la altura del cono, R el radio de la esfera y r el radio del círculo de contacto,
2
2
d2 − R2
R d2 − R2
h
se tiene
 r 
, h  d −R , r 
. El volumen del cono es
R
d
d
d
d2 − R2
R 2 d 2 − R 2  2
, que es máximo cuando lo sea Rd 2 − R 2 , es decir cuando R  d . Luego
V
3d 3
3
2
2
d
d 2 d 2 −
3
3
V
 4d .
3
81
9d
K 41- Se da un tetraedro ABCD cuyas aristas opuestas son ortogonales. Los planos perpendiculares a
AC en A, a CB en C, a BD en B, y a DA en D, forman un tetraedro A 1 B 1 C 1 D 1 . Los planos
perpendiculares a CA en A, a CD en C, a BA en B, y a DB en D, forman un tetraedro A 2 B 2 C 2 D 2 .
Los planos perpendiculares a AB en A, a BC en B, a CD en C, y a DA en D, forman un tetraedro
A 3 B 3 C 3 D 3 . Demostrar que los volúmenes de los tetraedros A 1 B 1 C 1 D 1 , A 2 B 2 C 2 D 2 y A 3 B 3 C 3 D 3
son equivalentes.
Solución: Sean a y a ′ , b y b ′ , c y c ′ los pares de aristas opuestas ortogonales entre sí. Se verifica
que a 2  a ′2  b 2  b ′2  c 2  c ′2 , de donde se obtiene que:
c 2  c ′2  b 2  b ′2  a 2  a ′2  c 2  c ′2  a 2  a ′2  b 2  b ′2  2 2 . Luego la suma de los
cuadrados de las longitudes de las aristas de los tres cuadriláteros alabeados que se obtienen del
tetraedro dado, son iguales. El volumen V 1 del tetraedro asociado a un cuadrilátero alabeado cuya
6
suma de los cuadrados de las aristas es 2 2 , es V 1   , siendo V el volumen del tetraedro
228V
6
cuyas cuatro aristas son los lados del cuadrilátero alabeado. Por tanto, V 1  V 2  V 3   .
228V
265
K 42- Dado un tetraedro ABCD y un punto G, si se traza por G una recta Δ orientada que corta a las
caras BCD, CDA, DAB y ABC en M, N, P y Q, demostrar que se tiene en valor y signo
V A  V B  V C  V D  0, siendo V , V , V y V los volúmenes de los tetraedros GBCD,
A
B
C
D
GM
GN
GP
GQ
GCDA, GDAB y GABC, contados positivamente cuando G y el vértice opuesto a una cara se
encuentran al mismo lado de la cara, y negativamente en caso contrario.
Solución:
B’
A
B
D
A’
M
G
β
C
Se proyecta ABCD en A ′ B ′ C ′ D ′ sobre las caras opuestas paralelamente a Δ. Sea V el volumen del
tetraedro ABCD. Se tiene en magnitud y signo V ′  V A . Sumando las igualdades análogas:
GM
AA
VA  VB  VC  VD  V 1  1  1  1
. Sean , ,  las intersecciones de
GM
GN
GP
GQ
AA ′
BB ′
CC ′
DD ′
los planos paralelos a Δ pasando por AB, AC y AD, con las aristas opuestas CD, DB y BC.
Considerando los triángulos semejantes AA ′ , BB ′  y los de la misma base A ′ CD, BCD, se obtiene
′
−S A ′ CD
−A ′

, así como las otras dos relaciones análogas, de las
en magnitud y signo AA ′ 
B
S BCD
BB
′
′
′
−S A ′ CD − S A ′ DB − S A ′ BC
que
se
deduce
−1  AA ′  AA ′  AA ′ 
 −1,
es
decir
S BCD
BB
CC
DD
1  1  1  1  0, con lo que queda demostrada la proposición del enunciado.
AA ′
BB ′
CC ′
DD ′
K 43- Sean OX, OY, OZ las aristas de un triedro trirrectángulo. Se lleva sobre dichas aristas las
longitudes OA  x, OB  y, OC  z, respectivamente. 1º) Determinar el centro  y el radio R de
la esfera circunscrita al tetraedro OABC. Demostrar que la recta O pasa por el punto de
intersección de las medianas del triángulo ABC. 2º) Hallar el lugar geométrico de  cuando A y B
están fijos, y C describe el eje OZ. 3º) Determinar el lugar de  para el caso en que C sea fijo, y A
y B varíen de forma que la recta AB permanezca paralela a una recta fija del plano XOY. 4º) Si
x  y  z  a, hallar la distancia de  al plano del triángulo ABC, así como el volumen V del
tetraedro OABC en función de a.
y
Solución: 1º) En el paralelepípedo rectángulo de aristas x , , z ,  es el vértice opuesto a O,
2 2 2
x2  y2  z2
x2  y2  z2
distando
de los cuatro vértices del tetraedro, es decir R 
. Como el
2
2
baricentro del triángulo ABC, es el vértice opuesto a O en el paralelepípedo rectángulo de aristas
x , y , z , el baricentro es homotético de  con centro de homotecia O, luego la recta O pasa
3 3 3
y
por dicho baricentro.2º) El paralelepípedo tiene fijas dos dimensiones, x , , luego  describe
2
2
y
de XOZ. 3º) En el plano
una recta paralela a OZ, a una distancia x de YOZ, y a una distancia
2
2
z
′
de este, que corta a OZ en C , se traza una recta paralela
paralelo a XOY trazado a una distancia
2
a la recta fija del plano XOY. El lugar de  es la recta que une el punto medio de esta paralela con
3
a 3
, siendo V  a .
C ′ . 4º) La distancia de  al plano ABC, es
6
6
266
K 44- Se da un triedro trirrectángulo OXYZ y un punto P en su interior, que dista una longitud a de
OYZ, b de OXZ y c de OXY. Por P se traza un plano cualquiera que corta a las aristas del triedro en
A, B y C. 1º) Demostrar que la suma a  b  c es constante. 2º) Determinar el plano ABC
OB
OC
OA
para que el volumen del tetraedro OABC sea mínimo.
Solución:
Z
C
P
a
c
A
b
X
B
Y
1º) El volumen del tetraedro OABC es equivalente a la suma de los volúmenes de los tetraedros
POAB, POAC y POCB, luego OA  OB  OC  a  OB  OC  b  OA  OC  c  OA  OB , de
6
6
6
6
a
b
c
donde 1 


. 2º) Siendo constante el total de los tres sumandos, su máximo o
OA
OB
OC
mínimo se alcanza cuando son iguales los tres sumandos, es decir a  b  c  . Luego
OB
OC
OA
OA  a , OB  b , OC  c . Sustituyendo estos valores en la igualdad anterior, se tiene   1 .



3
Por tanto, el plano ABC viene definido por OA  3a, OB  3b, OC  3c, siendo el volumen
9abc .
mínimo
2
Nota: El volumen máximo corresponde a un plano que pasando por P fuera paralelo a cualquiera
de las aristas del triedro, con lo que el volumen sería infinito.
K 45- Se da una esfera S de centro C y diámetro AB  2R. Sea S ′ la esfera de diámetro AC. Se define
el punto M del segmento AB por AM  x. Sea P el plano que pasa por M y es perpendicular a AB.
Este plano corta a S según un círculo de área , y a S ′ según un círculo de área  ′ . 1º) Establecer
las fórmulas   x2R − x y  ′  xR − x. 2º) Estudiar la variación del cociente ′ cuando x

varía. 3º) En el volumen comprendido entre las dos esferas S y S ′ , el plano P corta un área T que es
un círculo o una corona limitada por dos circunferencias, según la posición de M. Hallar las dos
expresiones correspondientes al área T en función de x, y estudiar su variación. 4º) Determinar M
de manera que el área T sea equivalente a la de un círculo de radio 0, 6R.
Solución:
1º)   r 2  x2R − x;  ′  r ′2  xR − x. 2º) ′  2R − x . La curva
R−x

2R
−
x
y
, es una hipérbola de centro R, 1 , cuyas asíntotas son paralelas a los ejes. Como P
R−x
es un punto de AB, x no puede ser negativo. En el intervalo 0 ≤ x ≤ R, el cociente crece desde 2
hasta . Para x  R, el plano no corta a S ′ , por lo que el cociente no tiene significado geométrico.
Para x  2R, el plano no corta a ninguna de las esferas. 3º) Para 0  x  R, el área T viene dada
por Rx, que corresponde a una corona circular, que crece linealmente en el intervalo, alcanzando
un máximo de R 2 para x  R. Para R  x  2R, el área T viene dada por x2R − x, que
corresponde exclusivamente al círculo que P corta en S, que va disminuyendo según un arco de
parábola, desde R 2 hasta ser nula en x  2R. Para x  2R, el plano no corta a ninguna de las
esferas. 4º) En el intervalo 0 ≤ x ≤ R, se tiene Rx  0, 6R 2 , es decir x  0, 36R. En el
intervalo R ≤ x ≤ 2R, se tiene x2R − x  0, 6R 2 , de donde x 2 − 2Rx  0, 36R 2  0,
obteniéndose la raíz válida x  1, 8R.
267
K 46- Se traza en el plano P un círculo de diámetro AB; se levanta la perpendicular en A al plano,
sobre la que se lleva el punto C, que se une con un punto cualquiera M de la circunferencia. 1º)
Demostrar que CM es perpendicular a BM. Indicar cómo se hallan los ángulos a) de CM con el
plano P, b) de un rectilíneo del diedro formado por los planos BMA y BMC. Determinar el centro
de la esfera que pasa por los cuatro puntos C, A, B y M. 2º) Se corta el tetraedro CABM por el
plano perpendicular a AM, trazado por el punto medio O de AB. Demostrar que la sección es un
rectángulo, que divide al tetraedro en dos troncos de prisma triangular. ¿Qué se puede decir de sus
volúmenes? 3º) Se supone AC  AB  a, AM  x, BM  y. Siendo V el volumen del tetraedro
3
CABM, formar la ecuación de segundo grado que tiene por raíces x e y, sabiendo que V  ma ,
6
donde m es un número dado. Discutir la ecuación. Calcular m de forma que x − y  a . ¿Cuáles
2
son los valores de x e y en este caso?
Solución:
C
E
A
P
F
D O
B
M
1º) AM y BM son perpendiculares. La proyección de CM sobre P, es AM. Luego CM es
perpendicular a BM. El ángulo de CM con P se mide por el ángulo CMA. Un rectilíneo del diedro
formado por P y el plano BMC, es el ángulo CHO, siendo H el punto medio de BM, pues el plano
CHO es perpendicular a BM. La esfera CABM tiene su centro en la intersección de la perpendicular
a P trazada por O, con el plano perpendicular a AC trazado por el punto medio de AC. 2º) El plano
perpendicular a AM por O, corta a AM en D (punto medio de AM) y es perpendicular a P; corta a
CM en E y a CB en F, siendo EF paralela a OD, luego ODEF es un rectángulo. El cuerpo
DOEFAC es un tronco de prisma recto triangular de base ADO. El cuerpo DOEFBM es un tronco
de prisma recto triangular de base EDM. El volumen V 1 del primer tronco es
1 AD  DOAC  DE  OF  1 DMDO  AC  2S ODEF   1 DMBM  DE  2S ODEF . Como
6
6
6
2S ODEF  DEEF  DO, la expresión anterior es igual a 1 DM  DEBM  EF  DO, que es el
6
volumen del segundo tronco, luego los dos troncos son equivalentes. 3º) El volumen del tetraedro
3
CABM es V  1 AM  BM  AC  1 axy  ma siendo m  0. Luego xy  ma 2 , y como
6
6
6
x 2  y 2  a 2 , se tiene x  y 2  a 2  2ma 2 , o sea x  y  a 1  2m . Por tanto, la ecuación pedida
es X 2 − a 1  2m X  ma 2  0, de donde X  a
1  2m  1 − 2m . Ha de cumplirse que
2
a
1
1 − 2m ≥ 0, es decir 0  m ≤ . Para x − y  , se tiene m  3 , obteniéndose para x e y los
2
8
2
a 7 1
valores
.
4
K 47- Sea VABC una pirámide triangular tal que BC  CA  AB y VA  VB  VC. Los puntos
medios de BC, CA y AB, son A ′ , B ′ y C ′ . Se forma una segunda pirámide triangular VA ′ B ′ C ′ . Sea O
2
el centro de la circunferencia circunscrita al triángulo ABC. 1º) Siendo x  OV′2 , calcular en
OA
función de x la relación entre las superficies laterales de VABC y VA ′ B ′ C ′ . Sea y el cuadrado de
esta relación. 2º) Calcular x de manera que y sea un valor dado m 2 . Discutir e interpretar los casos
límites. 3º) Determinar el cociente OV′  x , de forma que y sea un número entero.
OA
268
Solución:
V
A’
B
O
A’’
C’
C
B’
A
1º) La relación entre las superficies laterales, es:
3  BC  OA ′2  VO 2
′2
2
OA ′2  VO 2
2
 2  OA ′2  VO
 4
 4 1x .
3  B ′ C ′  OA ′′2  VO 2
1  4x
OA  VO 2
OA ′2  4  VO 2
2
4
2
161  x
. 2º) x  162− m , luego x describe un arco de hipérbola desde x  0
O bien: y 
1  4x
4m − 16
para m 2  16, hasta x   para m 2  4. En el caso m 2  16, el punto V coincide con O, es decir
que las pirámides degeneran en el plano ABC. En el caso m 2  4, el punto V está en el infinito, y
las pirámides son prismas rectos triangulares. 3º) En la tabla se exponen los valores pedidos,
habiéndose incluido los valores límites  y 0.
y 4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
10
9
8
7
6
5
3
11
4
2
1
x 
0
8
12
16
20
24
28
36
4
32
40
44
x  1, 6583 1, 1180 0, 8660 0, 7071 0, 5916 0, 5000 0, 4226 0, 3536 0, 2887 0, 2236 0, 1508 0
K 48- Se da un triedro trirrectángulo y un punto P en su interior, cuyas distancias a las caras miden 3,
4 y 5 cm. Un plano que pasa por P corta al triedro según un triángulo cuyo baricentro es P.
Calcular el volumen del tetraedro formado.
Solución: La longitud de las aristas del tetraedro correspondientes al triedro dado, serán el triple
de las distancias de P a las caras. Luego el volumen es 1  9  12  15  270 cm 3 .
6
K 49- Demostrar que el volumen de un tetraedro viene dado por las siguientes expresiones: 1º) Un
tercio del producto de una arista por el área de la proyección del tetraedro sobre un plano
perpendicular a dicha arista. 2º) Un sexto del producto de dos aristas opuestas por la mínima
distancia entre ellas, multiplicado por el seno del ángulo que forman dichas aristas.
Solución: 1º) La fórmula del volumen de la pirámide es V  1 Sh, siendo S el área de una cara y
3
h la altura del vértice opuesto a dicha cara sobre esta. La proyección del cuerpo sobre un plano
perpendicular a una arista coincide con la proyección de la base sobre dicho plano. En efecto, sea
la arista AB y la base BCD, y el plano perpendicular sea por ejemplo el que pasa por B. La
proyección de A sobre dicho plano, es B, luego la proyección del cuerpo coincide con la de la base.
Siendo  el ángulo que forma la arista AB con la base, la altura correspondiente es AB  sin .
Luego el volumen es V  1 S  AB  sin   1 AB  S  sin   1 AB  S ′ , siendo S ′ la
3
3
3
proyección de la base sobre el plano perpendicular a AB. 2º) La fórmula del volumen del
prismatoide es V  h B  B ′  4B ′′ . Tomando como bases dos aristas opuestas, es decir
6
B  B ′  0, la fórmula se reduce a V  h 4B ′′ , siendo h la mínima distancia entre las dos aristas
6
′
′
opuestas. Como B ′′  a  a  sin , la fórmula es V  aa h sin  .
2
2
6
269
K 50- Se da un cono de altura 100 cm y radio de la base 50 cm. La altura decrece 10 cm por segundo, y
el radio crece 5 cm por segundo. Calcular la variación del volumen.
Solución: V t   50  5t 2 100 − 10t  250 −t 3 − 10t 2  100t  1000, V 0  250000 ,
3
2
3
Δ V  250 −t 3 − 10t 2  100t. Esta curva, que define la variación del volumen, es una parábola
3
cúbica, que crece en el intervalo 0 ≤ t ≤ 10 s, alcanzando en t  10 s, el mayor aumento de
3
3
48481, 37 cm 3 , siendo el volumen del cono en ese momento, de 310280, 76 cm 3 . En el intervalo
10  t ≤ 6, 18 s, la curva de la variación del volumen disminuye hasta anularse para t  6, 18 s,
3
en cuyo momento el volumen del cono es igual a su volumen inicial. En el intervalo
6, 18 s  t ≤ 10 s, la curva de la variación del volumen se hace negativa, alcanzando en t  10,
una variación negativa cuyo valor absoluto es igual al volumen inicial del cono, es decir que el
volumen del cono es nulo.
K 51- Demostrar que en un tetraedro de aristas opuestas ortogonales, la suma de los cuadrados de los
productos de las aristas opuestas es igual a cuatro veces la suma de los cuadrados de las áreas de
las cuatro caras.
Solución:
A
a
b’
c
c’
B
D
A’
b
E
a’
C
Sea el tetraedro ABCD, cuyas aristas opuestas ortogonales, son aa ′ , bb ′ , cc ′ . Sea el plano ABE
perpendicular a CD. La altura AA ′ del tetraedro coincide con la altura del triángulo ABE, siendo A ′
el ortocentro del triángulo BCD. Se tiene: a 2  AE 2  BE ′2 − 2  BE  A ′ E,
a 2 a ′2  a ′2 AE 2  BE ′2 − 2  BE  A ′ E  4S 2ACD  S 2BCD − 2  S BCD  S CDA ′ .:
Se obtienen expresiones análogas para b 2 b ′2 y c 2 c ′2 . Sumando las tres igualdades, se tiene:
a 2 a ′2  b 2 b ′2  c 2 c ′2  4S 2ABC  S 2ACD  S 2ADB  S 2BCD .
K 52- En un paralelepípedo rectangular de base ABCD, AD  a, siendo h la altura y A ′ B ′ C ′ D ′ la base
superior. El paralelepípedo queda dividido en tres partes equivalentes por dos planos que pasan por
DD ′ y cortan a las caras laterales según MM ′ y NN ′ , de tal modo que el diedro de arista NN ′ , cuyas
caras pasan por MM ′ y DD ′ , es recto. Calcular en función de a y h el volumen engendrado por el
rectángulo MM ′ NN ′ al girar alrededor de DD ′ .
Solución:
A’
N’
D’
B’
C’
M’
N’
A’
A
D
a
N
B
C
M
D’
270
B’
r
R
M’
b
C’
El volumen pedido corresponde al existente entre los cilindros coaxiales de radios OM  R y
b  R2 − b2
 ab , de
ON  r, y de altura h. Siendo DC  b, el área del triángulo DCM es
3
2
2
2
2
−
a
a

r
4a
ab
. El área del triángulo DAN es

, de donde
donde R 2  b 2 
3
9
2
2
r 2  a 2  4b . Luego R 2 − r 2  5 b 2 − a 2 . En el triángulo DMN, se tiene
9
9
2
2
 a − R 2 − b 2 . Sustituyendo en esta igualdad, los valores
R2 − r2  b − r2 − a2
anteriores, se obtiene:
5 b 2 − a 2   b − 2b 2  a − 2a 2 , de donde b  a 3 . Por tanto, R 2  35a 2 , r 2  5a 2 .
9
3
3
2
18
3
2
2
2
h
5a
5a
35a
El volumen pedido es: h
−

.
18
3
18
K 53- Dos cuadrados iguales, de lado 4, están situados en dos planos paralelos cuya distancia es 5. Su
posición respectiva es tal que sus centros están en la misma perpendicular a los planos, y las
diagonales de uno son paralelas a los lados del otro. Por cada lado de uno de los cuadrados se traza
un plano que pasa por el vértice opuesto del otro cuadrado. Hallar el volumen del cuerpo formado
entre los dos planos en los que están situados los dos cuadrados, y los cuatro planos trazados.
Solución:
P
Q
A’
A
B
C
D
O
D’
B’
O
C
D
N
N
M
C’
M
Sea el cuadrado ABCD situado en el plano superior, y A ′ B ′ C ′ D ′ el cuadrado situado en el plano
inferior. El plano que pasa por el lado AB y el vértice C ′ , corta al plano inferior según la recta MN.
Los otros tres planos cortan al plano inferior según NP, PQ y QM. Estos cuatro planos trazados se
cortan en O, vértice de las dos pirámides opuestas OMNPQ y OABCD, formando un tronco de
pirámide de segunda especie, cuyo volumen viene dado por la fórmula V  h B  B ′ − BB ′ .
3
2
El área B de la base inferior es:
2 a  32, y el área B ′ de la base superior es: a 2  16.
80 3 − 2
Luego, V  5 32  16 − 32  16 
.
3
3
K 54- Demostrar que el volumen de un prisma triangular es igual a la mitad del producto de una cara
lateral por su distancia a la arista opuesta.
Solución:
F
D
H
E
C
A
B
G
Sea el prisma ABCDEF. Completado el paralelepípedo ABCDEFGH, el volumen de este es igual al
producto de una de sus caras por la distancia entre esta y la opuesta. Luego el volumen del prisma,
es la mitad del volumen del paralelepípedo, siendo la distancia entre caras opuestas paralelas, la
existente entre una cara y la arista opuesta.
271
K 55- Probar que el volumen de un prisma regular es igual a la mitad del producto de su superficie
lateral por la apotema de la base.
Solución: Llamando p, a y B al perímetro, al lado y al área de la base, h a la altura del prisma, y S L
a su superficie lateral, se tiene V  B  h  p  a  h  1 a2  p  h  1 a  S L .
2
2
K 56- Demostrar que el volumen de una pirámide regular es igual al tercio de su superficie lateral por
la distancia de las caras al centro de la base.
Solución: Descomponiendo la pirámide en pirámides de vértice el centro de su base, y de bases
sus caras, se tiene V  1 S 1  d 1  1 S 2  d 2 . . . , en donde S i es el área de una cara lateral y d i la
3
3
distancia del centro de la base a la cara. Por ser pirámide regular d 1  d 2 . . .  d, luego V  1
3
dS 1  S 2 . . .   1 d  S L , siendo S L la superficie lateral de la pirámide.
3
K 57- Si una pirámide tiene por base un trapecio, su volumen es igual al tercio del producto de la suma
de las bases del trapecio por la proyección del sólido sobre un plano perpendicular a estas bases.
Solución: La proyección del sólido sobre un plano perpendicular a las bases del trapecio, es un
triángulo de altura la del sólido, y de base la altura del trapecio, luego su área es S  H  h , siendo
2
H la altura de la pirámide, y h la del trapecio. El área de la base de la pirámide es B  s  h ,
2
siendo s la suma de las bases del trapecio. Luego V  1 B  H  1  s  h  H  s  S .
2
3
3
3
K 58- Si la altura de una pirámide triangular es igual al diámetro del círculo circunscrito a la base,
demostrar que su volumen es igual a la sexta parte del producto de los tres lados de la base.
abc  H
abc  2R
B

H
4R
Solución: V 

 4R
 abc , siendo a, b, c los lados de la base, R el
6
3
3
3
radio del círculo circunscrito, y H la altura de la pirámide.
K 59- Por cada vértice de un tetraedro se traza un plano paralelo a la cara opuesta, obteniéndose un
segundo tetraedro. Hallar el volumen de este en función del volumen de aquel.
Solución:
A’
C
D
B
B’
D’
M
A
C’
Sea una esfera que pasa por los cuatro vértices del tetraedro dado ABCD. Será tangente a las
cuatro caras del segundo tetraedro A ′ B ′ C ′ D ′ , siéndolo en sus centros de gravedad. Luego A ′ D y
272
AD ′ son medianas que se cortan en M, punto medio de B ′ C ′ . Como AD y A ′ D ′ son paralelas, se
tiene MD′  MA′  AD
 1 . Luego la razón de semejanza entre ambos tetraedros es 1 ,
3
3
MA
MD
A′D′
V ′ ′ ′ ′
por lo que V ABCD  A B C D , es decir que el volumen del segundo tetraedro es 27 veces el del
27
dado.
K 60- Demostrar que el volumen de un paralelepípedo circunscrito a un tetraedro es el triple del
volumen del tetraedro. Como aplicación, demostrar el teorema de Steiner.
Solución:
E
F
B
c
A
d
A
C
B
D
a
b
D
C
Sea el tetraedro ABCD. Se trazan por B y D, las paralelas BE y DF a AC y de su misma longitud,
obteniéndose el prisma ABCDEF. Separando de este prisma, el tetraedro dado (figura de la
izquierda), queda una pirámide cuadrangular de vértice A y base BDEF. Un plano que pase por A y
por DE, descompone a la citada pirámide en dos pirámides triangulares equivalentes AEBD y
ADEF, cuyas bases tienen la misma superficie, correspondiente a la mitad del paralelogramo
BDEF, y cuya altura es la misma, por tanto las dos pirámides son equivalentes. Como el tetraedro
DAEF es equivalente al dado, por tener la misma altura y ser iguales sus bases, resulta que este es
la tercera parte del paralelepípedo. El teorema de Steiner define que si se toman dos segmentos de
longitudes dadas, situados sobre dos rectas fijas que se cruzan, sus cuatro extremos determinan un
tetraedro de volumen constante, cualquiera que sea la posición de dichos segmentos sobre sus
rectas respectivas (figura de la derecha). Sea un paralelepípedo cuya cara superior es AcBd, y las
aristas laterales Aa, cC, Bb y dD. Prolongadas en ambos sentidos, las diagonales AB y CD de dos
caras opuestas, representan las dos rectas dadas sobre las que se toman los segmentos de longitud
constante AB y CD. Tomando la cara aCbD como base, y trazando la diagonal ab, se ve que
cualquiera que sea la colocación de AB y CD sobre las rectas dadas, todos los paralelepípedos
formados tienen por base un paralelogramo igual al aCbD, pues las diagonales son iguales y el
ángulo es constante e igual al de las rectas dadas. Esta base aCbD junto con la opuesta AcBd,
forman el sistema de planos paralelos determinados por dos rectas dadas, por lo que la separación
de dichas bases (la altura del paralelepípedo) es igual a la menor distancia entre las dos recta dadas.
Luego el volumen del paralelepípedo es constante, y por tanto el del tetraedro.
K 61- Una cuña esférica está inscrita en un prisma triangular regular. Hallar el volumen de la cuña en
función del volumen del prisma.
3
Solución: El volumen de la cuña es V C  4 R 3 60º  2R . La altura del prisma es 2R, y la
360º
9
3
R2 3
, y el volumen del
altura del triángulo de la base es R, por lo que el área de la base es
3
3
2R 3
 3
. Por tanto V C 
VP.
prisma es V P 
3
9
273
K 62- Se corta una esfera de centro O y radio R por un plano P perpendicular a uno de los radios en su
punto medio. Se considera el segmento esférico que no contiene al centro O. Interiormente a este
segmento, se trazan dos esferas variables, tangentes a la esfera dada, al plano dado y tangentes
entre sí en M. 1º) Hallar el área S de la superficie engendrada por M. 2º) Hallar el volumen limitado
por dicha superficie S y el plano P.
Solución:
E
D
F
A
B
P
O
C
Cortando por un plano que pase por O, perpendicular a P, se tiene la situación recogida en la
figura. Aplicando una inversión de centro A, se tiene que el lugar geométrico de M es la bisectriz
del ángulo formado por AB y la recta inversa de la circunferencia O. Luego el lugar geométrico de
M, es una circunferencia que pasa por A y B, y tal que el ángulo que forma con AB es la mitad del
que forma la circunferencia O con AB. Como OAB  30º, BAE  60º, BAD  30º, el centro del
círculo es C, siendo su radio CA  CB  CD  CM  R 3 .
1º) Por tanto el área pedida es la del casquete esférico ADBF, que es igual a
S  2  CD  FD  2  CDCD. −CF  3 2 − 3 R 2 .
2º) El volumen pedido corresponde al volumen del segmento esférico ADBF, que es igual a
V    DF 2 CD − DF   16 3 − 27 R 3 .
3
8
K 63- Se da una semicircunferencia de diámetro AB  2R y se elige un punto C de ella, tal que
AC  x. Calcular en función de x la suma de las áreas engendradas por CB y el arco CB al girar
alrededor de AB.
Solución:
C
A
B
H
2
2
2
x 4R 2 − x 2
4R 2 − x 2 , CH 
, AH  x , HB  4R − x , el área
2R
2R
2R
x4R 2 − x 2 
CH
descrita por CB es: S  2 
 CB 
, y el área descrita por el arco CB es:
2R
2
S ′  2R  HB  4R 2 − x 2 . La suma pedida es: 4R 2 − x 2  x  1 .
2R
K 64- Sobre una semicircunferencia de diámetro AB  2R, se toma un punto C cuya proyección sobre
AB es D, y se hace BD  x. Siendo V el volumen engendrado por la semicircunferencia, V 1 el
engendrado por el segmento circular BCmB, y V 2 el engendrado por el sector circular OCmBO,
girando todos ellos alrededor de AB, determinar C de forma que V 1  kV 2  q, siendo k un
V
número dado positivo. Discutir la solución en función de q.
Solución:
Siendo AC  x, CB 
C
m
A
O
274
D
B
Los volúmenes engendrados son, respectivamente, V  4 R 3 , V 1   Rx 2 , V 2  2 R 2 x.
3
3
3
 Rx 2  k 2 R 2 x
3
3
Luego:
 q, de donde x 2  2kRx − 4qR 2  0, siendo sus raíces
4 R 3
3
x  R −k  k 2  4q . Como k  0 por definición, y q  0 como cociente de volúmenes que
ninguno de ellos puede ser negativo, siempre hay una única solución de x, pues k 2  4q ≥ k. Esta
solución es x  R −k  k 2  4q . Para q  0, x  0, estando D situado en B. Para q  2k  1 ,
4
x  R, estando D situado en O. Para q  k  1, x  2R, estando D situado en A. Para q  k  1, el
valor de x no tiene significado geométrico, pues no puede ser mayor que 2R.
K 65- Conociendo la arista a de cada uno de los cinco poliedros regulares convexos, calcular sus
principales elementos.
Solución:
Tetraedro
Cubo
Octaedro
Dodecaedro
Icosaedro
S
3 a2
6a 2
2 3 a2
3 25  10 5 a 2
5 3 a2
V
2 3
a
12
a3
2 3
a
3
7 5  15 3
a
4
5 3 5
12
R
6
a
4
3
a
2
2
a
2
15  3
a
4
5 5 a
2
2
r
6
a
12
a
2
6
a
6
25  11 5 a
2
10
3 3 5
12
2
a
2
a
2
3 5
a
4
5 1
a
4
2r
2r
2r
2r
2
a
4
6
h
a
3
 70º31 ′ 43 ′′ 6 a

90º
a3
a
109º28 ′ 16 ′′ 4 b 116º33 ′ 54 ′′ 2 c 138º11 ′ 22 ′′ 9 d
Leyenda: S, Superficie; V, Volumen; R, Radio de la esfera circunscrita; r, Radio de la esfera
inscrita; , Radio de la esfera tangente a las aristas; h, Altura; , Ángulo de dos caras con una arista
común.
2
 70º31 ′ 43 ′′ 6; b 2 arctan 2  109º28 ′ 16 ′′ 4;
a 2 arctan
2
1 5
3 5
 116º33 ′ 54 ′′ 2; d 2 arctan
 138º11 ′ 22 ′′ 9
c 2 arctan
2
2
K 66- Hallar el volumen del cubo inscrito en un dodecaedro regular de arista a.
Solución:
Radio de la esfera inscrita en el dodecaedro:
circunscrita al cubo de lado l:
Volumen del cubo: l 
3
25  11 5
30
3
l. De donde l 
2
3
2
a 3  2, 1257a 3 .
275
25  11 5
10
25  11 5
10
3
2
a . Radio de la esfera
2
a
2

25  11 5
a.
30
K 67- Un octaedro tiene por caras: un triángulo equilátero abc, tres triángulos isósceles iguales bc,
ca y ab, un triángulo equilátero  igual al primero, y tres triángulos isósceles a, b y c,
iguales a los tres triángulos isósceles anteriores. Siendo p la longitud del lado del triángulo
equilátero, y q la de los dos lados iguales de los triángulos isósceles, hallar el volumen del
octaedro.
Solución:
a
B
A
γ
β
F
C
b
c
E
D
α
Se aplica la fórmula del volumen de un prismatoide V  H B  B ′  4B ′′ , en donde
6
3 2 ′
3 2
p
p , B  S  
p , y B ′′ es la superficie del exágono ABCDEF, de lado ,
B  S abc 
2
4
4
3
3
3
p
1
es decir B ′′  6 

p

p 2 . La altura H del octaedro es la de un triángulo
2
4
8
2
3
p, luego
isósceles sobre el lado desigual, cuyos lados iguales miden q y el tercer lado mide
3
p2
q2 −
2
3
3 2
3 3 2
p
. Por tanto V 
2
p 4
p
 1 p 2 3q 2 − p 2 .
H  q2 −
3
6
4
8
3
K 68- Con las caras de un icosaedro regular de arista a, convenientemente escogidas y prolongadas, se
puede formar un octaedro regular. Hallar el volumen de este.
Solución:
Ambos poliedros tienen la misma esfera inscrita, cuyo radio es
3 3 5
6
3 5
r 20 
a  r8 
l, siendo l el lado del octaedro. Por tanto l 
a.
12
6
2 2
94 5 3
2 3
l 
a  2, 991a 3 .
El volumen del octaedro es V 
3
6
K 69- Se da una superficie prismática cuya sección recta es un triángulo ABC. Se llevan sobre las
aristas, a un mismo lado de la sección ABC, longitudes AA ′  x, BB ′  y, CC ′  z. Calcular x, y, z
de forma que las tres caras laterales del tronco de prisma ABCA ′ B ′ C ′ , sean equivalentes. Demostrar
que si el problema tiene solución, admite una infinidad de soluciones.
Solución:
C’
A’
B’
x
z
y
b
A
c
C
a
B
xy
yz
Las superficies de las caras son S ABA ′ B ′ 
c  S BCB ′ C ′ 
a  S ACA ′ C ′  x  z b. Luego
2
2
2
x  yc  y  za  x  zb. Las infinitas soluciones de este sistema de dos ecuaciones
homogéneas con tres incógnitas, son:
x  ab − bc  ca, y  ab  bc − ca, z  −ab  bc  ca, que tienen sentido geométrico si
ab  ca  bc, ab  bc  ca, bc  ca  ab.
K 70- Por un punto del eje de un prisma exagonal regular de altura b, y de lado de la base a, siendo
dicho punto exterior al prisma, y por cada uno de los lados de un triángulo equilátero inscrito en la
base superior, se trazan planos de manera que se forma un cuerpo de diez caras, cuyo volumen se
pide, así como la variación del volumen cuando el punto se mueve a lo largo de dicho eje.
Solución:
276
P
E
A
M
O
C
K
Q
F’
N
E’
L
A’
D
H
B’
D’
C’
La base inferior del prisma es el exágono A ′ B ′ C ′ D ′ E ′ F ′ y la base superior el exágono ABCDEF
(en la figura se han omitido los vértices B y F). Sea ACE el triángulo equilátero. Siendo P el punto
sobre el eje del prisma, se tiene que el plano PAC corta en L a la arista BB ′ , el plano PCE corta en
N a la arista DD ′ , y el plano PEA corta en K a la arista FF ′ . El volumen pedido V, comprende el
volumen V 1 del prisma inicial, más el volumen V 2 de la pirámide de vértice P y base ACE, menos
3 3 2
a b.
el volumen de tres pirámides iguales a la CEDN. El volumen del prisma inicial es V 1 
2
Siendo O el centro del triángulo ACE, y haciendo PO  x, el volumen de la pirámide PACE es
3 3 2
3 a2x
a x
. Siendo M el punto medio de CE, OM  a , la altura de la
V2  1 
2
4
4
3
3 2
a . Por tanto, el volumen
pirámide CDEN es DN  OQ  x. La superficie de la base CDE es
4
3 2
3 3 2
V 3 de la pirámide CDEN es
a x. Luego V  V 1  V 2 − 3V 3 
a b. Por tanto, V es
12
2
constante e independiente de x.
K 71- El triedro trirrectángulo V de una pirámide VABC, se proyecta sobre el plano de la base según
las rectas OA, OB y OC, que forman los ángulos AOB  105º, AOC  105º y BOC  150º.
Sabiendo que AO  10, hallar el volumen de la pirámide.
Solución:
A
V
x
y
y
A
O
C
O
B
C
B
Las aristas VB y VC son iguales al ser iguales los ángulos AOB y AOC. Haciendo VA  x,
VB  VC  y,
OB  OC  z,
se
tiene
x 2  y 2  AB 2 ,
2y 2  BC 2 ,
la
altura
2
2
2
2
2
2
VO  x − 100  y − z (es decir, x  z  y  100),
AB 2  10 2  z 2 − 20z cos 105º  100  z 2  20z cos 75º, BC 2  2z 2 − 2z 2 cos 150º 
 2z 2 1  cos 30º. Luego x 2  y 2  100  z 2  20z cos 75º y 2y 2  2z 2 1  cos 30º. Por tanto,
como 100 − z 2  x 2 − y 2  100  z 2  20z cos 75º − 2z 2 1  cos 30, se obtiene z  10 cos 75º 
cos 30º
50 3  2 3
5 6
2− 3
. Operando: x 
 10, 37955, y 
 4, 08248,
 10
3
3
3
125 18  12 3
xy 2
V

 28, 8321.
6
27
277
K 72- Hallar el volumen del prismatoide de altura a, que tiene por bases el cuadrado ABCD de lado a,
y el triángulo equilátero GEF, cuyo vértice G se proyecta ortogonalmente en A, y los vértices E y F
sobre los lados BC y CD respectivamente. Las caras del prismatoide son los triángulos AGB, GBE,
BEC, ECF, FCD, FGD y GDA.
Solución:
D’
F
G
C’
B’
S
N
T
M
R Q
P
D
R
D S F
E
H
T
N
G-A-M
B
Q
E
P
B
C
A
C
En la figura de la izquierda se representa el prismatoide inscrito en un cubo de lado a, para lo cual
se han añadido los vértices B ′ , C ′ y D ′ , así como las aristas B ′ G, B ′ B, B ′ C ′ , C ′ C, C ′ D ′ , D ′ D y D ′ G.
De la figura de la derecha se obtiene, siendo l el lado del triángulo equilátero GEF, AC  a 2 ,
3
3
l, a 2  l 
l, de donde l 
6 − 2 a. La superficie de la base
CH  l , AH 
2
2
2
2
superior es la del triángulo AEF, es decir 2 3 − 3 a 2 . La superficie de la base inferior es la del
cuadrado ABCD, o sea a 2 . La base media es el eptágono MNPQRSTM, siendo MN  MT  a ,
2
2− 3
a
a
a
l
l
NB  TD  , PQ  RS  , CQ  CR 
, PB  DS  a −
−

a.
2
2
2
4
2 2
2 2
Luego la superficie del eptágono es la del cuadrado de lado a, disminuida en la de los triángulos
2
2− 3
3 2
a
l
1
2
NBP, TDS y QCR, es decir a − 2 

a−


a . Por tanto el
4
4
2
2
2 2
3 2
2 3 −1 3
volumen del prismatoide es V  a a 2  2 3 − 3 a 2  4 
a

a .
6
2
3
K 73- Un cubo de arista a se corta por dos planos perpendiculares a una de sus diagonales, pasando
cada uno de ellos por uno de los puntos que dividen a dicha diagonal en tres partes iguales. Hallar
el volumen del prismatoide que se ha formado en la parte central del cubo, entre los dos planos.
Solución:
A
B
C
D
M
N
E
H
A
M
F
C
D
H
G
P
Sea el cubo ABCDEFGH (figura de la izquierda) y la diagonal DF, que los puntos M y N dividen
3
a. El plano perpendicular a DM, que pasa por M,
en tres partes iguales, luego DM 
3
determina la pirámide DACH (figura de la derecha). En efecto, suponiendo DA  DC  DH  x,
se tiene que el lado del triángulo equilátero ACH mide x 2 , y en el triángulo rectángulo DAP, en
3
a, se tiene que:
el que su altura DM mide
3
2
2
3
a
 AM  MP  2  3 x  1  3 x  x , luego x  a. Por tanto, el volumen
2
2
3
3
3
3
278
pedido es el del cubo disminuido en el doble del volumen de la pirámide DACH, es decir
3 2
3
a 
a  2 a3.
V  a3 − 2  1 
2
3
3
3
K 74- Tres diámetros de una esfera de radio R, forman entre sí cada dos de ellos, un ángulo de 60º.
Calcular el volumen del paralelepípedo que forman al cortarse los planos tangentes a la esfera
trazados en los extremos de dichos diámetros.
Solución:
V
A
H
C
M
O
B
H’
V’
Sea O el centro de la esfera; el paralelepípedo está formado por las pirámides VABC y V ′ ABC. Los
diámetros dados son las perpendiculares desde O a las caras de las pirámides. Las perpendiculares
desde O a las caras VBC y V ′ BC, forman el ángulo HOH ′  180º − 60º  120º. Las rectas VH,
V ′ H ′ y AO se cortan en M sobre BC. En el triángulo OHM, HOM  60º, OHM  90º, OH  R,
OM  2R, HR  R 3 . En el triángulo VOM, VO  2R , VM  4R . En el triángulo equilátero
3
3
ABC, AM  3  OM  6R, BC  4 3 R, siendo su superficie S ABC  1  4 3 R  6R  12 3 R 2 .
2
El volumen de la pirámide VABC es 1  12 3 R 2  2R  8R 3 . El volumen del paralelepípedo
3
3
′
3
VABCV es 16R .
K 75- Un cono de vértice V, altura VO, y base un círculo de radio R, es tal que se le puede inscribir
una pirámide de base cuadrada y cuyas caras laterales son triángulos equiláteros. Se pide 1º)
Calcular VO, la superficie lateral y el volumen del cono, en función de R. 2º) Calcular el radio de
la esfera circunscrita al cono. 3º) Se proyecta O en P sobre una generatriz, y por P se traza un
plano paralelo a la base, que delimita un segundo cono de vértice V. Calcular la razón de las
superficies laterales de los dos conos y el volumen del tronco de cono formado.
Solución:
V
P
D
Q
C
M
O
B
A
1º) Sea VABCD la pirámide inscrita en el cono. Se tiene OC  R, BC  VB  VC  2 R. En el
2
2
6
R. En el triángulo VOM, OV  6R − 2R  R. La
triángulo equilátero VBC, VM 
2
4
4
2
superficie lateral del cono es  2 R  2R   2 R 2 . El volumen del cono es  R 3 . 2º)
3
2 2 R
En el triángulo VAC, OC  OV  R, luego el radio de la esfera circunscrita es R. 3º) Sea Q el
punto en que el plano que pasa por P paralelo a la base, corta al eje. En el triángulo VPQ,
QP  OC  R . Luego la razón de las superficies laterales es 2 2  4. El volumen del tronco de
2
2
3
 7 R 3 .
cono formado, es.  R 3 − R
2
24
3
279
K 76- Se da una esfera de radio R y centro O. Sobre un diámetro AA ′ se toma un punto P situado entre
O y A. Por P se traza un plano perpendicular a AA ′ , y se circunscribe un cono de base el círculo
menor así determinado. Determinar P para que el volumen comprendido entre el área lateral del
cono y la esfera, sea m veces el volumen de la esfera de diámetro el del círculo menor citado.
Discusión de la solución.
Solución:
Q
A
V
P
O
A’
El volumen definido es la diferencia entre el volumen del cono circunscrito y el volumen del
segmento esférico de altura AP. Sea OQ  R, PQ  r, VP  H, AP  h, OP  R − h,
R h2R − h
h2R − h
r 2  VP  PO  HR − h  R 2 − R − h 2 , H 
, VQ  H 2  r 2 
.
R−h
R−h
2
2
h 2R − h
. El volumen del segmento
El volumen del cono circunscrito es  r 2 H   
3
3
R−h
3
esférico es h 2 R − h . El volumen de la esfera de radio QP es 4 r 3  4 2Rh − h 2  2 .
3
3
3
h 2 2R − h 2

Luego el volumen comprendido entre el área lateral del cono y la esfera, es:

−
3
R−h
3
−h 2 R − h  m 4 2Rh − h 2  2 . Operando se obtiene una ecuación de 5º grado en h, siendo
3 4
3
R h
m2 
. Como 0 ≤ h ≤ R, m puede tomar cualquier valor entre 0 y .
16R − h 2 2R − h 3
Haciendo x  2R − h , la ecuación queda: x 3 x − 1 2 − 2 − x2  0, que siempre tiene una
R
16m
solución en el intervalo 1  x  2.
K 77- Se da un cuadrado ABCD de lado a. Tomando A como centro se describen dos arcos de círculo
DB, CE (E está en la prolongación de AB). La figura BECD gira alrededor de la perpendicular
trazada en A a la diagonal AC. Calcular el área y el volumen engendrados.
Solución:
D
C
M
B
A
N
E
P
1º) El área pedida es S  S ACEP  S NBEP  S MDBN  S MDCA . Se sabe que AB  AD  DC  CB  a,
2
AC  AE  a 2 , BE  AE − AB  a 2 − 1 , MD  NB  MA  AN 
a, PE  AP 
2
2
a , BN  DM  a . Se utilizan las fórmulas del área
 AE  a, NP  AP − AN  1 −
2
2
2
lateral del tronco de cono, R  rg, y de la zona esférica, 2Rh. El área engendrada es:
280
2
2
a a 2 − 1  2a2
a a 2  a
a  6 2 a 2 .
2
2
2
2º) El volumen pedido es V  V ACEP  V MDCA − V MDBN − V NBEP . Se utilizan las fórmulas del
volumen del tronco de cono,  hR 2  r 2  Rr, y del segmento esférico, 2 R 2 h. El volumen
3
3
engendrado es:
2
2
2
2
2
2
2

2
a 2 a

a
a  a 2

aa 2 − 2 a 2 2
a−
V
2
2
2
2
3
3
3
S  2a 2 a   a 
2
−a 1−
2
3
a2 
2
a
2
2
a
2
a
2
 a 3 .
281
282
Sección L - GEOMETRÍA DESCRIPTIVA
L 1- Representar en el sistema diédrico, un icosaedro apoyado en el plano horizontal H, con una
diagonal perpendicular a dicho plano y con una de las aristas que parten del vértice superior,
perpendicular a la línea de tierra (el segundo vértice de esta arista es el más cercano a la línea de
tierra).
Solución:
a’
l
c’
b’
d’
f’
e’
h
r
V
V’
h
g’
d
r
e
c
a-g
b
f
La diagonal vertical AG se proyecta en el plano H en a − g, siendo su longitud el diámetro de la
esfera circunscrita. El pentágono BCDEF se proyecta en verdadera magnitud en bcdef, siendo ad
perpendicular a la línea de tierra y el vértice D el más cercano a esta línea. En el croquis de la
derecha, perteneciente a la sección principal, se han determinado las alturas (V y V ′ ) del pentágono
BCDEF y su simétrico respecto al centro del icosaedro, siendo l la arista y r el radio del círculo
circunscrito a dichos pentágonos.
Nota: En los problemas de geometría descriptiva, se ha utilizado como unidad el cm, aplicándose
en cada caso, la escala más conveniente al tamaño de la página y a la claridad de las construcciones
realizadas.
283
L 2- Representar en el sistema diédrico, un icosaedro con una cara apoyada en el plano horizontal H, y
con el lado de dicha cara más cercano a la línea de tierra, formando con esta un ángulo de 18º.
Solución:
j’
k’
l’
h’
g’
d’
i’
f’
e’
c’
a’
b’
f
i
k
b
g
c
j
e
l
a
d
h
La cara apoyada ABC, como su opuesta JKL se proyectan en verdadera magnitud en el plano H. La
proyección bc de la arista BC, forma un ángulo de 18º con la línea de tierra.
284
L 3- Representar en el sistema diédrico un dodecaedro apoyado en una cara situada en el plano
horizontal H, y uno de cuyos lados forma un ángulo de 15º con la línea de tierra.
Solución:
ñ’
l’
k’
f’
q’ r’
p’ s’
o’
m’
j’
g’
h’
i’
c’
b’ d’
a’ e’
ñ
j
i
s
d
n
e
r
o
k
n’
c
h
a
q
f
p
l
b
m
g
La proyección de de la arista DE perteneciente a la cara ABCDE, apoyada en el plano H, forma un
ángulo de 15º con la línea de tierra. El pentágono OPQRS está girado 36º respecto al ABCDE. En
el croquis de la derecha se ha dibujado la sección principal que determina las alturas de los planos
donde se sitúan los vértices FGHIJ y KLMNÑ.
285
L 4- Representar en el sistema diédrico, un dodecaedro apoyado sobre una arista situada sobre el plano
horizontal H y paralela a la línea de tierra, y con el plano diagonal correspondiente, paralelo al
plano V.
Solución:
s’
r’
ñ’-o’
n’-q’
p’-i’
j’-k’
m’-h’
d’-l’
e’-f’
c’-g’
a’
b’
p-l
o-f
q-g
k
m
b-r
a-s
j
h
c-n
e-ñ
d-i
Las aristas AB y KL se proyectan en verdadera magnitud, siendo sus proyecciones sobre H,
paralelas a la línea de tierra. La figura formada por engf es un cuadrado de lado la diagonal del
pentágono regular que tiene por lado la arista del dodecaedro. La proyección sobre el plano V es
igual a la del plano H girada 90º.
286
L 5- Representar en el sistema diédrico, un icosaedro con una diagonal perpendicular al plano 0, 5, 5,
cuyas trazas forman ángulos de 45º con la línea de tierra, y apoyada sobre él, siendo la abscisa y la
ordenada del vértice de apoyo 7 cm y 3 cm, respectivamente. La longitud de la arista es 4 cm. Una
de las aristas que parten del vértice inferior, es perpendicular a la traza horizontal del plano
paralelo al dado, donde se encuentra el segundo vértice de dicha arista.
Solución:
P’
P’1
P’2
P’3
5’
4’
1’
11’
a
O’2
6’
3’
b
10’
7’
O’1
2’
c
12’
8’
9’
(0,0,0)
10
12
11
4-9
O1
3
7
O2
5-8
2
1
(9)
6
(10)
(8)
P
(O1)
P1
(3)
(11)
(2)
(7)
P2
(O2)
(4)
P3
(6)
(1)
(5)
PP es el plano dado sobre el que está el vértice 12 − 12 ′ . En el plano P 1 P ′1 , paralelo al dado,
están los vértices 7, 8, 9, 10 y 11, siendo la arista 12 − 11 perpendicular a la traza P 1 . En el plano
P 2 P ′2 , paralelo al dado, están los vértices 2, 3, 4, 5 y 6. En el plano P 3 P ′3 , paralelo al dado, está el
vértice 1.
′
287
L 6- Representar en el sistema diédrico la intersección de una pirámide con el plano de coordenadas
8, 8. 5, 4. 5, estando situado el origen a la izquierda del vértice del plano. El vértice de la pirámide
es el punto 0, 4, 9 y su base es el triángulo cuyos vértices son A−9, 4, 0, B0, 5. 5, 0 y
C2. 5, 1, 0.
Solución:
V’
P’
a’
b’
A’
c’
C’
B’
(0,0,0)
C
c
A
V
a
b
B
P
Se ha supuesto que el plano dado es opaco, por lo que se ha dibujado de trazos la parte de la
pirámide situada debajo del plano. La proyección de la sección es el triángulo abc, y la vertical, el
a ′ b ′ c ′ . Recordar que la base y la sección son homológicas, con eje de homología la traza del plano
y centro de homología el vértice de la pirámide. Sus proyecciones horizontales también lo son, con
eje de homología la traza P, y centro de homología V.
Nota: En este y sucesivos problemas, se dan los decimales correspondientes a las coordenadas,
separados por un punto de la correspondiente unidad. La coma se utiliza para separar las
coordenadas. Así 3. 5, 6, 0. 2, indica que la abscisa es 3. 5, la ordenada 6, y la cota 0. 2.
288
L 7- Representar en el sistema diédrico la intersección de un cono por un plano. La base del cono es
un círculo situado en el plano H, cuyo centro es el punto 0, 3. 3, 0 y su radio 3 cm, siendo el
vértice el punto 0, 3. 3, 7. 5. Las coordenadas del plano son −5. 5, 11, 3. 5, estando el origen de
coordenadas a la derecha del vértice del plano.
Solución:
V’
P’
p’
d’
b’
C’
e’
f’
c’
a’
q’
h’
O’
(0,0,0)
h
d
e
c
p
b
V-O
q
C
a
f
P
La intersección es la elipse cuyas proyecciones se han dibujado de trazos. En la proyección vertical
se han dibujado las tangentes más arriba y más abajo en los puntos b ′ y a ′ , respectivamente. En la
proyección horizontal se han dibujado los ejes ab y ef, y en la vertical los diámetros conjugados
a ′ b ′ y e ′ f ′ . Se han dibujado las tangentes qc − q ′ c ′ y pd − p ′ d ′ .
289
L 8- Representar en el sistema diédrico la intersección de dos conos. Uno, tiene como base una
circunferencia situada en el plano H, de centro el punto 0, 6, 0 y radio 3. 5 cm, siendo su vértice el
punto 7, 11, 8. El segundo, tiene por base una circunferencia situada en el plano V, de centro
2, 0, 5 y radio 3 cm, siendo su vértice el punto 8, 5. 5, 3.
Solución:
V’1
a
2’
1’
b
3’
4’
6’
V’2
5’
c
h’
v
d
e
6
5
f
1
2
3
4
V1
Se han utilizado como planos auxiliares los que pasan por los vértices de los dos conos. La
intersección es del tipo mordedura. Se han obtenido 22 puntos para definir la curva intersección.
Suponiendo transparente el cono de vértice V 1 , la proyección vertical de la intersección es toda
vista (tiene forma de riñón), mientras que en la horizontal, con forma de ocho, hay parte de la
curva oculta (puntos con fondo blanco). En la figura de esta página, se ha representado con detalle
la intersección, mientras que en la de la página siguiente se ha representado la totalidad del dibujo.
290
v’
V’1
a
2’
1’
b
3’
4’
6’
V’2
5’
c
h’
v
d
e
6
5
f
1
2
4
3
V1
V2
h
291
L 9- Representar en el sistema diédrico el cuerpo formado por un cubo y un octaedro concéntricos,
ambos de arista 4 cm, El octaedro tiene una diagonal perpendicular al plano horizontal H y apoyada
sobre él, formando el plano de su sección principal un ángulo de 45º con el plano vertical V. El
cubo tiene sus bases paralelas al plano horizontal H, y una de sus caras verticales forma un ángulo
de 15º con el plano vertical V.
Solución:
1’
g’
e’
f’
h’
3’-5’
2’
a’
4’
d’
b’
c’
6’
5
h-d
e-a
1-6
2
4
g-c
f-b
3
Los vértices del octaedro son 1, 2, 3, 4, 5 y 6, este último sobre el plano H. El vértice 5 está
apoyado en el plano V. Los vértices del cubo son abcdefgh, los cuatro primeros en la cara inferior.
La sección principal del octaedro pasa por los vértices 1 y 6, y por los puntos medios de las aristas
opuestas 2 − 3 y 4 − 5, formando un ángulo de 45º con V. Los planos adeh y bcfg forman un
ángulo de 15º con V.
292
L 10- Representar en perspectiva caballera de   135º y   1 , el exágono A4, 2, 4, B4, −2, 4,
2
C4, −4, 0, A ′ 4, −2, −4, B ′ 4, 2, −4, C ′ 4, 4, 0, así como sus proyecciones sobre los planos XZ e
YZ.
Solución:
Z
B3
B
A2-B2
A
A3
C3
C
C’2-C2
X
C’
C’3
Y
A’3
A’
B’2-A’2
B’
B’3
La proyección sobre el plano XZ es la recta A 2 − A ′2 . La proyección sobre YZ es el exágono
A 3 B 3 C 3 A ′3 B ′3 C ′3 .
293
L 11- Una recta AB está definida por sus proyecciones a 2 XZ y a 3 YZ. La proyección a 2 pasa por
A1, 0, 5 y por B2. 5, 0, 2. 5. La proyección a 3 pasa por C0, 4, 2. 5 y por D0, 6, 6. 5.
Representar en perspectiva caballera de   120º y   1 , la recta, sus proyecciones y sus trazas
2
con los planos coordenados.
Solución:
Z
A
a2
M
B
D
a3
a
C
X
N
P
a1
Y
Las proyecciones de la recta son a 1 sobre el plano XY, a 2 sobre el plano XZ, y a 3 sobre el plano
YZ. Sus trazas son M con el plano YZ, N con el plano XY y P con el plano XZ.
294
L 12- Representar en perspectiva caballera de   135º y   1 , las trazas del plano A1. 5, 3, 3,
2
B5, 2, 1. 5, C2. 5, 7, 1, así como su intersección con el plano x  z  1.
8
4
Solución:
W3
Z
T
Q
W2
A2
V∞
S
A3
B2
A
C2
B3
P
B
U
B1
A1
C
X
M
C3
C1
R
W1
N
V∞
Y
Las trazas de la recta AB son M con el plano XY, y S con el plano YZ. Las de la recta BC son P con
el plano XZ, y R con el YZ. Y las de AC son N con el plano XY, y Q con el XZ. Por tanto las trazas
del plano ABC son MN con el plano XY, PQ con el XZ, y RS con el YZ. Las trazas del plano
x  z  1, son UT con XZ, UV  con XY, y TV  con YZ. La intersección de ambos planos es la
4
8
recta W 1 W 2 W 3 .
295
L 13- Se da el punto C3. 5, 6, 5 y la recta AB: A1, 0, 1, B7, 10, 6. Representar en perspectiva
caballera de   arctan −1 , y   1 , la intersección de la recta AB con el plano trazado por C
2
2
y
− z  1.
paralelo al x 
2
3
4
Solución:
Y’
B2
Z
C2
C3
B3
a3
C
a1
B
P2
P3
A3 L
P
A
M
X’
A1
Q
X
P1
N
R
a
a2
C1
Ñ
B1
Y
S
Z’
y
El ángulo XOY es arctan −1  153º435. El plano x 
− z  1 es el MNÑ. Su plano paralelo
2
2
4
3
por C es el QRS. La intersección de este plano con la recta AB es el punto P.
296
L 14- Representar en perspectiva caballera de   135º y   1 , las trazas del plano ABC, siendo
2
A1, 5, 2, 3, B3, 5, 1, 2, 5, C0, 5, 5, 2, 5, y su intersección con la recta x  y  z.
Solución:
Z
v-v3
v2
I
P3
D
A3
B3
C2
A
P
B B
2
E
C3
C
H
B1
A1
D1
P2
A2
C1
E1
P1
v1
G
F
Y
La recta dada es la bisectriz del triedro OXYZ, siendo sus proyecciones v 1 , v 2 y v 3 . Las trazas del
plano ABC forman el triángulo GHI. La intersección es el punto P.
297
X
L 15- Se considera el cuadrilátero ABCD, siendo A0, 0, 3, B2, 6, 4, C5, 7, z, D4, 4, 7.
Representar en perspectiva caballera de   45º y   1 , la posición del punto C, las trazas del
2
plano del cuadrilátero, y la intersección de este plano con la recta x  y  z.
Solución:
H
D
Z
C
w
A
(A)
B
(P2)
E
X
A1
G
B1
D1
w1
(P)
C1
F
Y
El ángulo XOY mide 45º. El plano A definido por los puntos A, B y D, corta en C a la vertical
trazada por C 1 . Las trazas del plano ABCD forman el triángulo AEF (línea de trazos). El plano
auxiliar P pasa por C 1 y por la recta paralela a OZ. El plano auxiliar P 2  pasa por la bisectriz w
y por su proyección w 1 . La recta GH es la intersección de A y P, que da C sobre la vertical en
C 1 . Las rectas AD y w son paralelas, luego la intersección de A y P 2  es un punto impropio.
298
L 16- Dadas las rectas AB y CD, siendo A0, 0, 2, B7, 10, 8, C9, 0, 2, D8, 6, 7, representar en
perspectiva caballera de   135º y   1 , una recta que se apoye en las dos dadas y sea paralela
2
a OM, siendo M3. 5, −6, −3.
Solución:
B2
Z
D2
B3
D3
D
B
s
G
E
r
M1
P
A-C3
C-C2
P1
F
m
O-A1
C1
M
M3
Y
D1
M2
B1
1. El plano auxiliar P pasa por AB y por la paralela a OM trazada por A. El plano auxiliar P 1 es
vertical y pasa por CD. La intersección de ambos planos es EF. La recta pedida es EG.
299
X
L 17- Representar en perspectiva caballera de   arctan − 1
y   2 , una recta paralela al plano
2
3
XZ, que pase por M8, 2. 5, 0, que forme con el plano XY un ángulo de 45º, y que corte al plano YZ
por debajo del XY, así como la intersección de esa recta con el plano ABC, siendo A5, 4. 5, 6,
B1, 0, 3. 5 y C9, 0, 5.
Solución:
Z
C
A
P
B
M2
B1
Y
M3
C1
P1
X
M
A1
El ángulo XOY es arctan − 1  153º435, y el coeficiente   2 . MP es la recta paralela, y P es
2
3
el punto de intersección con ABC.
300
L 18- Representar en perspectiva caballera de   45º y   1 , una circunferencia situada en el
2
plano XY, de centro 6, 8, 0 y radio 3 cm, sus ejes y las tangentes paralelas al eje OX.
Solución:
O1
Z
X
T1
A
t1
C
O
B
D
T2
t2
Y
El ángulo XOY  45º. O 1 es el centro rebatido. T 1 y T 2 son los puntos de tangencia, y t 1 y t 2 las
tangentes. Los ejes de la elipse son AB y CD.
301
L 19- Representar en perspectiva caballera de   135º y   1 , una circunferencia situada en el
2
plano XY, de centro 6, 8, 0 y radio 3 cm, sus ejes y las tangentes paralelas a los ejes OX y OY.
Solución:
O1
Z
X
T1
C
T4
Y
B
O
T3
A
D
T2
Se han marcado los puntos de tangencia T 1 , T 2 , T 3 y T 4 , y se han trazado las correspondientes
tangentes. Los ejes de la elipse son AB y CD.
302
L 20- Representar en perspectiva caballera de   arctan −1
y   1 , una circunferencia situada
2
2
en un plano que pasando por la recta z  0, x  y − 3  0, es paralelo al eje Z. El centro de la
circunferencia tiene de cota z  5 cm, y se proyecta sobre un punto de la traza del plano con el
plano XY, y cuya abscisa es x  2 cm. El radio mide 4 cm. Representar los ejes de la elipse
perspectiva y las tangentes más a la derecha y más a la izquierda.
Solución:
Z
D
C
(N)
N
t
(t’)
M
(M)
t’
(t)
m
E
(O)
c
O
F
N’
M’
(M’)
(N’)
A
B
X
O1
Y
El ángulo XOY  153º435. Los ejes de la elipse son MM ′ y NN ′ . Las tangentes más a la izquierda y
más a la derecha, son t y t ′ , respectivamente.
303
L 21- Representar en perspectiva caballera de   135º y   1 , las trazas de los planos paralelos al
2
x − y − z  1, y que disten de él 3 cm.
5
10
6
Solución:
Z
(M)
E
(P)
B
(r)
(N)
H
r1
P1
O
A
G
D
X
N
P
Y
P2
M
r
I
r2
C
F
ABC es el triángulo de trazas del plano dado. El punto de corte con r, perpendicular a dicho plano
por O, es el punto P. El abatimiento de P es P, siendo M y N los puntos a distancia de 3 cm a
derecha e izquierda de P. Deshaciendo los abatimientos, se obtienen M y N. Los planos pedidos
son DEF y GHI.
304
y
 z  1, En el triángulo de trazas se inscribe un cuadrado con un lado
8
6
3
situado en el plano XZ. Es la base de un prisma de altura 5 cm, situado por encima del plano.
Representar el prisma en perspectiva caballera de   135º y   1 .
2
Solución:
L 22- Se da el plano x 
(B)
Z
W
(P)
R
(Q)
S
T
C
M
U
N
P
A
O
X
Q
B
Y
El triángulo de trazas es el ABC. El cuadrado inscrito en él es el MNPQ. La base superior del
prisma es RSTU.
305
y
 z  1, el punto P6, 0, 4 y la recta y  2, x − z  1. Representar
5
10
6
4
4
en perspectiva caballera de   135º y   1 , la recta que pasa por P, paralela al plano y que se
2
apoya en la recta dada.
L 23- Se da el plano x 
Solución:
Z
C’
C
P
Q
A
A’
r
B
B’
Y
El triángulo de trazas del plano dado es el ABC. El plano paralelo por P, es el A ′ B ′ C ′ , cuya
intersección con la recta dada r es el punto Q. La recta pedida es PQ.
306
X
L 24- Determinar en perspectiva caballera de   45º y   1 , la distancia del punto C0, 0, 4 a la
2
recta AB, siendo A6, 0, 8 y B0, 10, 5.
Solución:
Z
H
A
(B)
C
B
O
A1
(B1)
B1
Y
El ángulo XOY  45º. La distancia pedida es CH.
307
X
L 25- Representar en perspectiva caballera de   150º y   2 , la circunferencia inscrita en el
3
y
triángulo de trazas del plano x 
 z  1.
5
10
8
Solución:
(B)
Z
(O)
C
(1)
(2)
O
A
B
Y
El ángulo XOY  150º y   2 . El triángulo de trazas ABC, se abate en el plano XZ en ABC. El
3
círculo auxiliar corta a la charnela AC en 1 y 2.
308
X
L 26- Representar en perspectiva caballera de   135º y   1 , la perpendicular común a las rectas
2
AB y CD, siendo A0, 0, 5, B0, 10, 0, C10, 6, 0 y D5, 0, 8.
Solución:
r
Z
E
H
F
D
G
A
b
a
T2
D1
O-A1
X
c
a1
b1
c1
T1
C-C1
B-B1
Y
CC 1 es la recta paralela a AB por C. El plano P pasa por CD y CC 1 , siendo sus trazas T 1 y T 2 . La
perpendicular por A a P, es AF, cuya intersección con P es F. La mínima distancia es AF, y su
verdadera magnitud es AH. La recta pedida es r, paralela a AF.
309
L 27- Representar en perspectiva caballera de   135º y   1 , las trazas de los planos que pasan
2
por la recta AB, siendo A4, 8, 4 y B2, 0, 5, y que forman con XZ un ángulo , tal que tan   1 .
4
Solución:
Z
α
b
B-B2
a2
A2
a
A
B1
X
g
a1
Y
(A)
A1
A es el abatimiento de A sobre XZ, charnela a 2 . Las trazas del plano pedido deberían pasar por
las de la recta AB, que son A 2 y B 2 , y ser tangentes a la circunferencia, lo que es imposible. El
problema no tiene solución.
310
L 28- Dados los puntos A4, 8, 4y B−2, 0, 5, representar en perspectiva caballera de   135º y
  1 , las trazas de los planos que pasan por AB y forman con XZ un ángulo 90º − 2, siendo
2
tan   1 .
4
Solución:
Z
P
B-B2
a2
A2
C
90º-2α
R
g
A
M
X
Q
B1
A1
N
(A)
Y
90º-2α
α
α
A es el abatimiento de A sobre XZ, siendo a 2 la charnela. En el diagrama inferior se obtiene el
ángulo 90º − 2. Las trazas del plano pedido deben pasar por A 2 y B 2 , y ser tangentes a la
circunferencia. Hay dos soluciones, los planos MNP y QAR.
311
y
 z  1, Se consideran los puntos A y B de su traza con XZ y tales que
5
10
9
sus respectivas abscisas son 4 cm y 2 cm. AB es un lado de un triángulo equilátero situado en el
plano dado e interior al triángulo de trazas del plano. Este triángulo es la base de un prisma recto
de altura 8 cm y situado por encima del plano. Representar el prisma en perspectiva caballera de
  135º y   1 .
2
Solución:
L 29- Se da el plano x 
Z
P
B’
H
(C)
B
C’
C
(N)
A’
A
M
X
N
Y
C es el abatimiento de C, charnela AB, siendo equilátero el triángulo ABC. El triángulo A ′ B ′ C ′
es igual al ABC, estando su plano situado a una distancia 8 cm del plano de aquel.
312
L 30- La recta AB, siendo A3, 0, 0 y B6, 6, 0, es una arista de un cubo, tal que el plano determinado
por AB y la arista opuesta es perpendicular al plano XY. Representar el cubo, en perspectiva
caballera de   135º y   1 .
2
Solución:
C
Z
D
F
E
(M)
N
X
A
M
B
Y
(N)
La diagonal AC de la cara AECF, está en verdadera magnitud. MN es la perpendicular a AB
abatida. EF es la paralela a MN por el punto medio de AC.
313
L 31- El origen de coordenadas es el centro de un cubo. Una de sus diagonales es el eje OZ. Una de las
aristas que parten del vértice más alto, está situada en la parte positiva del plano XZ. La arista del
cubo mide 4 cm. Representar el cubo en perspectiva caballera de   135º y   1 .
2
Solución:
Z
A
B
O
X
B’
Y
A’
AB está en verdadera magnitud, como la diagonal AA ′ que mide 4 3 cm.
314
L 32- El segmento AB, siendo A3, 8, 0 y B7, 8, 0, es una arista de un octaedro. Una de las caras que
tiene a AB como arista, está en el plano XY, y el tercer vértice de esta cara dista de OX más que A y
B. Representar el octaedro, en perspectiva caballera de   135º y   1 .
2
Solución:
(C)
(B)
(A)
Z
X
B
A
Y
C
AB es el abatimiento de AB sobre XZ, charnela OX. Se sitúa C por encima de A y B. La
4 6
cm.
arista mide 4 cm, y la altura del octaedro
3
315
L 33- Representar en perspectiva caballera de   135º y   1 , un dodecaedro que tiene una cara
2
apoyada en el plano XY, un lado de esa cara es paralela al eje OX y está situada a 6 cm de distancia
de él. Uno de los vértices de esa arista tiene de abscisa 1, 5 cm. El vértice opuesto a la citada arista,
situado en el plano XY, está más cerca del eje OX. La arista mide 2 cm.
Solución:
Z
(A)
(B)
M
(C)
N
P
Q
X
C
Y
A
B
Abatiendo XY sobre XZ, se dibujan las proyecciones de los pentágonos de las caras superior e
inferior, y el decágono sobre el que están las proyecciones de los vértices intermedios. Las cotas de
sus planos se determinan en el croquis de la derecha.
316
y
 z  1. El baricentro de su triángulo de trazas, es el centro de
10
6
3
un octaedro regular. Un vértice del octaedro es el punto medio del lado del triángulo de trazas
situado en el plano XZ. Una diagonal del octaedro es perpendicular al citado plano. Representar el
octaedro en perspectiva caballera de   135º y   1 .
2
Solución:
L 34- Se considera el plano x 
(B)
Z
(Q)
(G)
(P)
C
R
M
Q
A
G
P
N
S
B
Y
ABC es el triángulo de trazas, cuyo baricentro es G.
317
X
L 35- Las aristas de una pirámide cuadrangular de vértice V0, 0, 6 pasan cada una de ellas, por los
puntos A3, 4, 0, B3, 10, 0, C6, 12, 0 y D8, 8, 0. Representar en perspectiva caballera de
  135º y   1 , la intersección de la pirámide con un plano que pase por A y produzca como
2
sección un paralelogramo AB ′ C ′ D ′ .
Solución:
Z
V
P
T’2
T’3
M
X
N
A
r1
T3
T’1
r2
D
B
D’
C
E
T1
Y
B’
F
C’
1. Las caras AVB y CVD se cortan en la recta r 1 , y las caras BVC y AVD en la r 2 . Todo plano paralelo
a estas dos rectas, corta a la pirámide según un paralelogramo. El plano paralelo que pasa por A,
corta a las aristas en B ′ , C ′ y D. Las aristas B ′ C ′ y C ′ D ′ son vistas.
318
L 36- El segmento OA de la recta y  0, x  2z , siendo 5 cm la abscisa de A, es la arista de un cubo
tal que el plano diagonal determinado por esta arista y la opuesta, forma un ángulo de 45º con el
plano XZ. Representar el cubo en perspectiva caballera de   135º y   1 .
2
Solución:
Z
T2
R
d
a
S
A
Q
f
b
O
V
N
D
E
X
c
T1
F
M
G
Y
C
(B)
(e)
B
e
En el plano XZ se traza la circunferencia tangente a OA, con centro V. En verdadera magnitud
Va  Vb (el ángulo del cono en el vértice es 45º) y Vc  V b , siendo Vc perpendicular a OX. La
2
diagonal OB es paralela a cd, siendo su verdadera magnitud OB. MN es la paralela media de OA
y BC. Se lleva sobre MN, a uno y otro lado, AS , obteniéndose DE y FG (AS es la perspectiva de la
2
verdadera magnitud AR de la arista). El cubo es OADFGECB.
319
L 37- Se considera un tetraedro regular de arista 10 cm. Tiene dos aristas opuestas horizontales, la
inferior de ellas está situada sobre el eje OX. Se gira el tetraedro 90º alrededor de la recta que une
los puntos medios de las dos aristas citadas. Dibujar el cuerpo formado por los dos tetraedros, en
perspectiva caballera de   135º y   1 , y calcular el volumen de dicho cuerpo.
2
Solución:
Z
C
F
G
B
E
A
O
X
Y
D
OA es la arista situada sobre OX, y BC la opuesta, paralela a OY. El volumen del tetraedro dado es
2 3
250 2
V
a 
cm 3 . Como los puntos medios de las aristas de un tetraedro regular son
12
3
3
2
125 2
vértices de un octaedro regular, el volumen de este es V ′ 
 10

cm 3 . El
2
3
3
volumen pedido es 2V − V ′  125 2 cm 3 .
320
L 38- El origen de coordenadas es el centro de gravedad de un tetraedro regular de arista 4 cm. Un
vértice está situado en el eje OZ por encima del plano XY. Un vértice de la cara opuesta al vértice
citado, está situado en la parte negativa del plano XZ. Por cada vértice del tetraedro se traza un
plano paralelo a la cara opuesta. Representar en perspectiva caballera de   135º y   1 , el
2
tetraedro dado y el formado por los citados planos paralelos, y hallar el volumen de este.
Solución:
Z
C’
A
B’
D’
O
D
X
B
C
Y
A’
El tetraedro dado es ABCD. El formado por los planos paralelos es A ′ B ′ C ′ D ′ . La arista de este
2
tetraedro es el triple de la arista del dado, luego el volumen pedido es
 12 3  144 2 cm 3 .
12
321
L 39- Se considera un cubo de arista 4 cm. Tiene un vértice en el origen de coordenadas. Las aristas
que parten de este vértice, son los ejes positivos del dibujo. Por cada arista del cubo se traza un
plano perpendicular al determinado por la arista y el centro. Representar en perspectiva caballera
de   135º y   1 , el cuerpo formado y hallar su volumen.
2
Solución:
Z
V5
A
B
E
V4
F
O
V2
V1
C
D
V3
G
X
H
Y
V6
El cubo dado es ABCDEFGH. El cuerpo se forma hallando el simétrico del centro O del cubo
respecto a sus seis caras, obteniéndose los vértices V 1 , V 2 , V 3 , V 4 , V 5 y V 6 . Su volumen es el doble
del volumen del cubo dado, o sea 2  4 3  128 cm 3 .
322
L 40- Representar en perspectiva caballera de   120º y tan   1, la intersección del cono cuya
base es la circunferencia x − 5 2  y − 5 2  16, z  0 y su vértice el punto 0, 0, 8, con el
cilindro de generatrices paralelas a la recta z  x, y  0, siendo su traza con el plano z  0, la
circunferencia z  0, x 2  y − 5 2  9.
Solución:
Z
V
g1
B
C
A
g2
X
V’
G
F
D
O1
O2
(O2)
(O1)
E
Y
Se utilizan como planos auxiliares los que pasan por la paralela a la generatriz del cilindro trazada
por el vértice del cono. Se trata de una mordedura limitada por las generatrices AB y DE, y por el
arco GFE. Se ha supuesto que el cilindro es transparente.
323
L 41- Mediante proyección estereográfica, determinar la dirección de un pozo plano R de inclinación
i  15º, situado en una capa Q de dirección N − 30º − W, inclinación i  40º y buzamiento SW.
Solución:
N
R1
48º
30º
168º
40º
15º
Q
R2
La solución R 1 corresponde a la dirección N − 48º − W, y la R 2 a la dirección N − 168º − E.
Nota: En este problema y en los dos siguientes se ha utilizado una red o falsilla de Wulff con
separaciones angulares de 2º.
324
L 42- Mediante proyección estereográfica, representar la capa Q en la que se han medido las
siguientes direcciones, inclinaciones y buzamientos aparentes: d 1  N − 60º − E; i 1  35º;
b 1  NW; d 2  N − 40º − W; i 2  25º; b 2  SW.
Solución:
R1
º
40
20º
N
60
º
25º
35º 42º
R2
El plano de la capa Q está definido por las dos rectas R 1 y R 2 , siendo su dirección N − 20º − E, su
inclinación 42º, buzamiento NW.
325
L 43- Mediante proyección estereográfica, determinar el ángulo de inmersión y cabeceo de un pliegue
cuyos flancos están dados por: d 1  S − 73º − E; i 1  38º; b 1  SW; d 2  N − 22º − E; i 2  59º;
b 2  NW.
Solución:
N
Q2
L
56
º
M2
22º
O
35º 38º
Q
M
76º
59º
55º
36º
73º
A
Q1
M1
Flancos  Q 1 y Q 2 . Charnela  OA; Inmersión  35º. Plano perpendicular a OA  L. Plano
bisector de Q 1 y Q 2  Q d  56º; i  76º; b  SE . Cabeceo  36º.
326
Anexo
1- Se dan dos círculos O y O ′ y una de sus tangentes comunes, cuyos puntos de tangencia son,
respectivamente, A y A ′ . Por un punto fijo P, situado en AA ′ , se traza una secante variable que
corta a O en B y C, y a O ′ en B ′ y C ′ , Hallar el lugar geométrico de los puntos M, intersección
de AB y A ′ B ′ , y de los puntos N, intersección de AC y A ′ C ′ .
M
B
B’
O
C
O’
C’
A
P
A’
N
2- En el triángulo ABC, H es el ortocentro, A ′ , B ′ , C ′ los puntos de encuentro de las alturas con el
círculo circunscrito, y a, b, c las intersecciones de BC, CA y AB con las tangentes al círculo
circunscrito trazadas en A ′ , B ′ y C ′ respectivamente. Demostrar que a, b y c están alineados.
M
A
C’
O
B’
H
B
a
C
P
A’
N
c
327
b
3- Se da un triángulo ABC y los puntos A ′ , B ′ y C ′ sobre los lados BC, AC y AB. Se sabe que los
círculos AB ′ C ′ , BC ′ A ′ y CA ′ B ′ concurren en un punto K. Demostrar que en el caso en que las
rectas AA ′ , BB ′ y CC ′ sean concurrentes, los círculos KAA ′ , KBB ′ y KCC ′ cortan a las rectas
BC ′ , CA ′ y AB ′ en puntos alineados.
A
C’
B
E’
B’
K
L
C
A’
D’
4- Se dan dos puntos P y P ′ en el plano de un triángulo ABC. Si AP y AP ′ cortan a BC en L y L ′ ,
BP y BP ′ a CA en M y M ′ , CP y CP ′ a AB en N y N ′ , demostrar que los puntos de corte S (de
MN ′ y NM ′ ), T (de NL ′ y N ′ L) y U (de LM ′ y L ′ M), están alineados.
N’
M
A
T
S
P
P’
N
L
U
M’
C
B
L’
5- Por los puntos medios A ′ , B ′ y C ′ de los lados de un triángulo ABC, se trazan las tangentes al
círculo inscrito, que cortan a A ′ B ′ , B ′ C ′ y C ′ A ′ , en c, a y b. Demostrar que a, b y c, están
alineados.
328
A
a
C’
b
B’
d
A’
B
C
c
6- Desde un punto P situado en el plano de un triángulo ABC, se trazan las perpendiculares Pa, Pb
y Pc, sobre los lados BC, CA y AB. Desde los vértices se trazan las perpendiculares AA ′ , BB ′ y
CC ′ sobre bc, ca y ab. Demostrar que AA ′ , BB ′ y CC ′ son concurrentes.
7- Demostrar que todo triángulo en el que el circuncentro y el incentro coinciden, es equilátero.
Demostrar que también lo es si coinciden circuncentro y baricentro.
8- Se dan dos segmentos AB y CD, que se cortan en I. Trazar un círculo que pasa por I y que corta
a AB en X, y a CD en Y, de forma que AX  m, y BX  n, siendo m y n números dados.
DY
CY
B
I
Y
C
D
X
A
9- Se da un cuadrilátero completo AA ′ BB ′ CC ′ , en el que los vértices A, A ′ , B y B ′ son concíclicos.
Los puntos medios de las diagonales AA ′ , BB ′ y CC ′ , son a, b y c. Demostrar que las
circunferencias abC y abC ′ son tangentes a CC ′ en C y C ′ respectivamente.
A
B
C
a
b
B’
A’
c
C’
329
10- Con cinco rectas tomadas de cuatro en cuatro, se forman cinco cuadriláteros completos. En
cada uno de ellos se traza la recta que pasa por los puntos medios de las diagonales. Demostrar
que estas cinco rectas pasan por un punto.
11- Sobre una circunferencia se toman seis puntos A, a, B, b, C y c. Demostrar que las rectas de
Pascal de los exágonos AaBbCc, AbBcCa y AcBaCb, concurren.
A
a
B
C
b
P2
M2
N3
c
M3
P1
Q
N2
N1
P3
M1
12- Demostrar que en todo cuadrilátero inscriptible, las perpendiculares bajadas desde el punto
medio de cada lado sobre el lado opuesto, concurren.
A
M
M’
O
Q
B
Q’
N
R
N’
D
P
P’
C
13- Dadas dos rectas AM y AN, trazar dos círculos de igual radio, tangentes a las rectas en M y N,
y tangentes entre sí.
A’ D
B
M
E
A’’’
T
C
N
A
330
A’’
14- Se da una circunferencia O y cuatro puntos A, B, C y D sobre ella. Sea E el punto de
intersección de AB y CD, F el de AC y BD, y G el de AD y BC. Demostrar que las polares de O
respecto a los ángulos en E, F y G, son paralelas.
E
B
C
F
e a c
A
b
b’
a’ f
G
c’
O
D
15- Se da el círculo O inscrito en el triángulo ABC. Una tangente variable MN corta a AC en M, y
a BC en N. Sobre las rectas AN y BM se toman los puntos P y Q, de forma que
QN
 PB  k. Demostrar que PQ pasa por un punto fijo.
PM
QA
Q
P
C
M
S
T
N
R
O
A
B
16- Se da una circunferencia O y una recta r. Dos rectas cualesquiera cortan a O en A, B y en A ′ ,
B ′ , y a r en C y C ′ . Si AB ′ corta a r en C 1 , y las rectas BC ′ y CA ′ al círculo en A 1 y B 1 ,
determinar la posición de A 1 , B 1 y C 1 .
A
A’
O
B
B’
B1
A1
C1
r
C
C’
331
17- Dadas dos circunferencias A y B, hallar un punto P tal que las tangentes trazadas desde él a
ambas, PT y PT ′ , sean iguales y se corten bajo un ángulo  dado.
P
T’
T
A
B
M
18– Se consideran dos centros de inversión S y S 1 , siendo sus potencias respectivas k y k 1 . Sean M
y M ′ dos puntos cualesquiera inversos en el sistema S, siendo N y N ′ los inversos de M y M ′ en
el sistema S 1 . 1º) Demostrar que la recta NN ′ pasa por un punto fijo. 2º) Demostrar que el
centro del círculo que pasa por los cuatro puntos M, M ′ N y N ′ , se desplaza sobre una recta fija.
N
N’
M
S
M’
S1
19- Se da un círculo y dos puntos fijos A y B fuera del círculo. Por B se traza una secante BPQ
cualquiera. Las rectas AP y AQ cortan al círculo en P ′ y Q ′ . Demostrar que P ′ Q ′ pasa por un
punto fijo.
Q1
Q2
Q’2
P1
Q’1
P’1
P2
P’2
C
A
B
20- Se considera un exágono alabeado de vértices A, B, C, D, E y F. Demostrar que si cada par de
lados opuestos AB y DE, BC y EF, CD y FA, están en un plano, las diagonales AD, BE y CF
son concurrentes.
21- Demostrar que si tres cuádricas pasan por una misma cónica, los planos de las otras tres
cónicas intersección pasan por una misma recta.
332
22- Determinar gráficamente el plano tangente en un punto M de la superficie reglada engendrada
por una recta que se desplaza apoyándose en tres curvas dadas, a, b y c.
g
A
a
M
b
B
C
c
g
23- Demostrar que en un tetraedro cualquiera, las cuatro alturas no concurren en un punto.
O
R
S
T
U
C
A
H
M
N
B
24- Demostrar que los seis planos trazados por los puntos medios de las aristas de un tetraedro,
perpendiculares a la arista opuesta, pasan por un punto.
A
N
P
B
D
Q
M
C
25- Demostrar que los círculos circunscritos a dos caras de un tetraedro se cortan bajo el mismo
ángulo que los círculos circunscritos a las otras dos.
333
334